物聯(lián)網(wǎng)是與云計(jì)算相伴而生的，事實(shí)上，正是物聯(lián)網(wǎng)的概念幫我弄清了對(duì)云計(jì)算的工作定義。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由三個(gè)不同的子系統(tǒng)組成的系統(tǒng):

• 云

• 聚合器

• 智能傳感器

上述每一個(gè)子系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能優(yōu)化都是必需的。云是終極的計(jì)算單元和通用通信網(wǎng)絡(luò)。智能傳感器是通向現(xiàn)實(shí)世界的界面。最后，這些聚合者是中間人。對(duì)云來(lái)說(shuō)，聚合器看起來(lái)像智能傳感器，而對(duì)智能傳感器而言，它看起來(lái)像云。

系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)的概念一直很有趣，這個(gè)術(shù)語(yǔ)引出了一些問(wèn)題。例如,"一個(gè)系統(tǒng)存在的最小一組功能是什么?"或者,"一個(gè)系統(tǒng)可以由許多其他系統(tǒng)組成嗎?"物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)。它的三個(gè)組件(云、聚合器和智能傳感器)都有自己的系統(tǒng)。此外，任何兩個(gè)組件也可以形成一個(gè)完整的IoT系統(tǒng)。例如，與聚合器進(jìn)行通信的一系列智能傳感器可以成為許多應(yīng)用的一個(gè)最佳系統(tǒng)。同時(shí)，智能傳感器直接對(duì)云進(jìn)行通信也可以是一個(gè)最佳的系統(tǒng)。

然后，三者的區(qū)別是它們的具體性能，成本，功耗和規(guī)模的考量。特別是:

• 云系統(tǒng)專注于性能。因此，成本、功耗和規(guī)模是次要的問(wèn)題。

• 聚合系統(tǒng)較少關(guān)注性能和功耗，更多地關(guān)注靈活性。

• 智能傳感器系統(tǒng)集中在電池壽命、大小和成本上，性能處于第三優(yōu)先級(jí)。

也許一個(gè)示例應(yīng)用可以幫助把這些系統(tǒng)放到一個(gè)維度上:

“智能咖啡杯”可以用來(lái)展示智能傳感器如何直接與云進(jìn)行通信。在最喜歡的咖啡館，要上一杯"無(wú)限續(xù)杯"的咖啡。我會(huì)在咖啡店工作幾個(gè)小時(shí)，不想每30分鐘起來(lái)去續(xù)杯咖啡。有了無(wú)限的杯子，我可以坐在自己的桌子上工作，而我的咖啡杯正在和咖啡店的"云"通信，那就是 WiFi。當(dāng)云感覺(jué)到我的杯子溫度越來(lái)越低，或者變冷了，咖啡師會(huì)給我另外一個(gè)杯子，如果需要的話自動(dòng)完成付費(fèi)。這最終成為咖啡館現(xiàn)有云計(jì)算的一個(gè)新用途。它可以很容易地?cái)U(kuò)展到餐廳和飲品店。

當(dāng)認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)，有很多的方式。正如星球大戰(zhàn)三部曲是從中間開始的，然后進(jìn)入過(guò)去和未來(lái)，討論IoT的三個(gè)系統(tǒng)也可以從中間開始，然后再到另外兩個(gè)。乍一看，聚合器看起來(lái)既像是智能傳感器上的云，又看起來(lái)像一個(gè)云上的智能傳感器，似乎是物聯(lián)網(wǎng)中不必要的組成部分。

IoT中的聚合子系統(tǒng)

看待物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)單方法是假設(shè)云直接連接到智能電子設(shè)備上。從這個(gè)意義上說(shuō)，也許智能傳感器和聚合器的概念是同一裝置的變體。但是這個(gè)概念在每個(gè)IoT機(jī)會(huì)中都不起作用。

聚合器是一個(gè)處理元素，它:

• 使用標(biāo)準(zhǔn)通信方法與云進(jìn)行通信

• 與具有專有通信功能的智能傳感器進(jìn)行通信，在這些傳感器中，對(duì)長(zhǎng)壽命和成本的需求超過(guò)了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的需求

• 有足夠的處理性能來(lái)服務(wù)多個(gè)智能傳感器。在這樣做的過(guò)程中，它管理了來(lái)自大量智能傳感器的原始數(shù)據(jù)，消化它們的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備一組需要傳送到云端的信息，然后將數(shù)據(jù)傳送到云端。

• 在某些情況下，聚合器有足夠的自主權(quán)，可以作為該系統(tǒng)的云。

聚合器與其他兩個(gè)元素之間的差異如下：

聚合器是大量智能傳感器和云之間的通信鏈接，最好的例子就是智能手機(jī)。它具有合理的電池壽命、成本和性能?？梢钥吹皆S多設(shè)備可以與智能手機(jī)進(jìn)行物理連接，也可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到智能手機(jī)上。它通常執(zhí)行所有必要的功能，使其有用。但它總是無(wú)縫地涉及到云的性能，依賴于電池的壽命。為了充分發(fā)揮其潛力，需要有電源，或者將其可用性限制在相對(duì)較短的活動(dòng)期間。這導(dǎo)致了聚合器的一個(gè)更廣泛方面。它需要成為許多智能傳感器之間的可連續(xù)供電接口，那些傳感器不是外部供電的，而云是具有無(wú)限性能的。

可以在工業(yè)控制和醫(yī)療嵌入式設(shè)備中找到其他聚合器的例子。在這些例子中，都有一些共同的特點(diǎn): 微型計(jì)算機(jī)或微處理器，許多標(biāo)準(zhǔn)的接口實(shí)現(xiàn)和各種通信選項(xiàng)。它們的性能足以滿足系統(tǒng)的需求，而且它們的電力需求很低，足以使電池使用壽命合理，或者使用USB連接的電源供電。

對(duì)聚合器最簡(jiǎn)單的描述就是它是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它有

• 計(jì)算系統(tǒng)

• 電力管理系統(tǒng)

• 存儲(chǔ)系統(tǒng)

• 通訊系統(tǒng)

聚合器是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，但它也可以是一個(gè)較大系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。

聚合器可以使用帶有離散組件的印刷電路板(PCB)來(lái)設(shè)計(jì)聚合器，或者在模塊(SOM)上的系統(tǒng)，或者一個(gè)包中的系統(tǒng)(SiP) ，或芯片上的系統(tǒng)(SoC)。一般而言，采取的這些形式中哪一種形式更多地取決于規(guī)模和靈活性的限制，而不是成本和性能限制。

技術(shù)已經(jīng)允許減少聚合器的尺寸，它也將減少其組件的大小。令人驚訝的是，它并不依賴于提高原始性能或驅(qū)動(dòng)集成。創(chuàng)造小型設(shè)備如智能塵埃的意圖要求計(jì)算機(jī)的功耗低到足以更好的散熱。聚合器將需要一個(gè)超低功耗的通信鏈接與許多智能傳感器(也許是數(shù)千個(gè))來(lái)通信并聚合它收到的數(shù)據(jù)信息。它將把這些信息發(fā)送到云端進(jìn)行最后的處理。與云計(jì)算的通信將采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。與智能傳感器的通信很可能是專有的，而不是標(biāo)準(zhǔn)的，以在其所需的通信速率中保證最小的功率耗散。

IoT中的云

云的作用是兩個(gè)基本的功能: 與用戶交流，并給出額外的表現(xiàn)，甚至用戶可能不知道那些需求。云計(jì)算的概念可能是用一個(gè)愚蠢的方式來(lái)描述了互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性和它所做的一切。

物聯(lián)網(wǎng)的概念不僅僅是描述云，還包括云是其中一部分的更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)概念使得云計(jì)算成為一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分。微控制器和微處理器的多樣性能夠融入這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。

當(dāng)云從概念演變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的時(shí)候，它似乎提供了無(wú)限的通信帶寬、無(wú)限的性能和完全的安全性——但是，所有這些假設(shè)都可能是謊言。圖1描述了物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)組成部分的性能、帶寬和安全性。

圖1 IoT的性能、帶寬和安全性

對(duì)"無(wú)限"的一個(gè)定義是實(shí)際上提供的比所需要的多一點(diǎn)。

云計(jì)算的安全性是三者最關(guān)心的問(wèn)題。至關(guān)重要的是，用戶和公司的隱私和安全得到保障。將更多的功能放在傳感器和聚合器將比由云做出每一個(gè)決定更具有保護(hù)性。這就是"一攬子體系"可以幫助的地方。這些微小的多芯片電子設(shè)備看起來(lái)像一個(gè)單一集成電路(IC)，可以處理遠(yuǎn)離云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中大部分決策。隱私和安全將始終具有價(jià)值，并將推動(dòng)創(chuàng)新。

在考量物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)候，三個(gè)系統(tǒng)中的每一個(gè)(云，聚合器，或者傳感器)都會(huì)有不同的組件類別。例如，智能傳感器的組件將被設(shè)計(jì)為超低功率，接受由此產(chǎn)生的性能水平。聚合器的組件將是更高的性能，但在電力預(yù)算范圍內(nèi)。最后，云中的組件將被設(shè)計(jì)為最大性能，較少?gòu)?qiáng)調(diào)功耗或成本。

這個(gè)表主要表達(dá)的是：

• 高性能設(shè)備即使不是唯一的優(yōu)先事項(xiàng)，也是主要事項(xiàng)。這是對(duì)云計(jì)算機(jī)的描述。

• 高效率的設(shè)備是那些在沒(méi)有任何性能犧牲的情況下，優(yōu)先減少功耗的設(shè)備。這與聚合系統(tǒng)保持一致。

• 超低功耗設(shè)備是指在實(shí)現(xiàn)絕對(duì)最小功耗的情況下，將優(yōu)先考慮性能的設(shè)備。這描述了智能傳感器。

可以看到上面的三個(gè)概念和組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三個(gè)系統(tǒng)之間的相關(guān)性。云中充滿了高性能的設(shè)備。

圖2 IoT系統(tǒng)的功耗對(duì)比

如果把性能這一概念作為云計(jì)算的首要條件(如果不是唯一的話) ，那是因?yàn)樵朴?jì)算中的設(shè)備類別是高性能的多核處理系統(tǒng)，GPU，F(xiàn)PGA以及專門設(shè)計(jì)的自定義設(shè)備。在所有這些設(shè)備中，目標(biāo)是最大化性能，最大化通信帶寬，或者保證安全和隱私。更復(fù)雜的是，許多聚合器也采用了高性能的概念，而且很難區(qū)分是否屬于云計(jì)算。

IoT中的智能傳感器

智能傳感器的設(shè)計(jì)包括紅綠藍(lán)3個(gè)方面的問(wèn)題：

• 性能(藍(lán))：處理器模擬還是數(shù)字的?數(shù)據(jù)是否壓縮?通信的方法，標(biāo)準(zhǔn)和安全

• 能耗(綠)：節(jié)能的方法和數(shù)量?電池的類型和容量?電源的轉(zhuǎn)化和分配?(電源管理)

• 個(gè)性化(紅)：具體傳感器的個(gè)性化參數(shù)?

值得注意的是，電力和無(wú)線通信將成為智能傳感器的主導(dǎo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

智能傳感器的最終目標(biāo)是完全自治。這意味著它可以源源不斷地提供能量，履行所有的功能，通過(guò)無(wú)線方式與外部世界交流。在智能傳感器中有三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。其中一個(gè)子系統(tǒng)處理所有的電源管理，一個(gè)處理所有的性能，一個(gè)子系統(tǒng)處理所有智能傳感器的個(gè)性化。這三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)可以連接在一起來(lái)創(chuàng)建智能傳感器。有了這種靈活性，可以開發(fā)各種能源管理方法，然后與各種處理系統(tǒng)混合匹配。最后，具有不同傳感器陣列的不同個(gè)性化組件可以連接到其他兩個(gè)子系統(tǒng)，以創(chuàng)建不同的智能傳感器。

功能所需的性能數(shù)量總是一個(gè)難以回答的問(wèn)題。但是當(dāng)它應(yīng)用于智能傳感器時(shí)，一個(gè)新的性能指標(biāo)就出現(xiàn)了，這個(gè)性能指標(biāo)就是能源效率。因?yàn)殡S著性能的提高和功能的增加，能耗也在增加。

在智能傳感器中，通信方法將占據(jù)大部分的電力預(yù)算。因此，與聚合器的通信方法需要有最低可能的功耗。

小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(或系統(tǒng))需要在云層之間進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)聚合器，最后到智能傳感器。當(dāng)今聚合器將變得更智能、更小和更低的功率，同時(shí)包圍云和智能傳感器的大部分功能。物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)的最大障礙將是如何處理收集的所有數(shù)據(jù)，以獲取有趣的信息并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。