im电竞竞猜注册网址:物联网系统架构图
发布时间:2022-07-20 21:47:46 来源:im电竞平台iOS 作者:im电竞盘口

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  只有设备接入到网络里面才能算是物联网设备。这里涉及到2个关键点

  在物联网设备里面物联网网关是一个非常重要的角色。一个处在本地局域网与外部接入网络之间的智能设备。主要的功能是网络隔离协议转化/适配以及数据网内外传输。

  物联网设备终端接入网络后只是物联网应用的开始。 设备接入网络后设备与设备之间需要互相通信 设备与云端需要互相通信。 只有互通物联网的价值才展现出来。 既然要互通则需要一套物联网通信协议。只有遵循该套协议的设备相互间能够通信能够交换数据。

  常用的物联网通信协议有哪些 主要有如下协议MQTTCOAP等他们有个共同点都是基于消息模型来实现的。设备与设备之间设备与云端之间通过交换消息来实现通信消息里面携带了通信数据。

  21世纪什么最重要数据。 有了大量的物联网设备数据后 针对数据人类可以去挖掘里面的规律挖掘里面的商业价值对设备未来的状态进行预测等等。

  通过物联网收集到设备数据后 如果设备数据状态超过预设的状态则自动第一时间报警管理员第一时间开展处理可以通过远程操作下达命令。把问题解决在萌芽状态。

  通过统计方法 对设备的历史运行数据进行统计分析。可以按不同维度分析出不同报告。然后以图表或者大屏方式展现在管理员面前。 管理员可以快速直观的了解到整个物联网设备运行状况。

  这部分需要从数据里面挖掘出有价值的东西出来。比如通过一段时间时间设备数据的连续跟踪分析并结合人类过往的设备运维经验通过机器学习方式预测设备发生故障概率以及发生故障后可能的引起原因并给出维修方案。刚才举的例子是物联网高级应用里面的冰山一角。 通过引入现在火热的AI技术。 物联网就能变成智能物联网了。 也许在不久的将来 人与设备可以自由对线c;设备与设备之间也能够对话并自动做出最优决策。

  综合所述物联网的价值在于提高生产效率管理效率极大促进社会生产力的提高。

  常见系统框架的总结下来主要存在如下2种 带RTOS的处理复杂的业务场景场景里面通过需要多个事务并行协同完成工作和不带RTOS的通常处理的业务场景较单一

  RTOS是什么 实时多任务操作系统有了它在终端设备里面可以并行运行多个任务。每个任务负责一个事务。通过并行化运行响应实时性及效率就得到提升。RTOS实时操作内核一般包含的重要组件如下

  在嵌入式操作系统中任务是CPU上最小运行单元。通常一个稍微复杂点IOT APP是由多个任务协同完成。比如有的任务负责处理用户事件输入以及UI显示有的任务负责处理数据通信有的任务负责业务逻辑处理。

  既然一个系统中有多个任务在跑而CPU资源确是单一的这样导致每个时刻只能由一个任务在CPU上跑。 因此为了每个任务都能够在CPU上有运行机会就涉及到了任务调度概念。 任务调度需要按照一定的规则来那一般是按照哪些规则来的 我们常见的调度方式有3种 一个基于优先级调度的 一个是基于时间片调度的 一个是把优先级和时间片结合在一起调度。

  以优先级调度举例在定义任务的时候给每个任务分配一个优先级在运行的时候高优先级的任务都会优先被运行。 直到没有高优先级任务后低优先级任务才会被运行。 假如低优先级任务获得CPU资源后这是如果有高优先级任务就绪怎么办呢 两种处理方式1. 继续运行 2. 抢占式。 高优先级抢占CPU资源进入运行状态。

  1.包含多种设备接入协议最主流的是MQTT协议。有些云计算厂商也在MQTT协议上精简协议变成独有的接入协议。

  如果应对数十亿的设备连接管理 目前开放出来的MQTT代理服务器大都是单机版最多也就是并发连接十几万设备。因此如果要管理数十亿的连接需要用到负载均衡用到分布式架构。在云平台需要部署分布式MQTT代理服务器。

  一般以树形结构的方式管理设备包含设备创建管理以及设备状态管理等等。根节点以产品开始 然后是设备组再到具体设备。

  物联网云平台通常是基于现有云计算平台搭建的。 一个物联网成熟业务除了用到物联网云平台提供功能外一般还需要用到云计算平台提供功能比如云主机云数据库等。用户可以在云主机上搭建web 行业应用服务。

  规则引擎一般使用方式类SQL语言通过编写SQL语言用户可以过滤数据、处理数据并把数据发到其他云计算产品或者其他云计算服务。

  物联网云平台为每个设备颁发唯一的证书需要证书通过后才能允许设备接入到云平台。云平台最小授权粒度一般是做到设备级。我们所说的证书一般分为2种一种是产品级证书一种是设备级证书。 产品级证书拥有最大的权限可以对产品下所有的设备进行操作。 设备级证书只能对自己所属的设备进行操作无法对其他设备进行操作。

  因此每个接入云平台的设备都在本地存储一个证书其实存在形式是一个KEY有多个字符串构成。每次与云端建立连接时都要把证书带上。以便云端安全组件核查通过。

  突出展示了物联网设备 物联网云平台 云计算平台是如何协同工作的有较大的参考价值。

  第二是向设备发送指令和信息。本章将会为大家介绍如何构建物联网服务以及用于实现物联网的重要要素。

  物联网大体上有3 个构成要素如图2.1 所示。一个是设备另一个是网关再来就是服务器。

  网关指的是能连接多台设备并具备直接连接到互联网的功能的机器和软件图2.2。如今市面上有很多种网关。在多数情况下网关凭借Linux 操作系统来运行。

  第一重要的是用于连接网关和设备的接口。网关的接口决定了能连接的设备因此重点在于选择一个适配设备的接口。

  有线连接方式包括串行通信和USB 连接。串行通信中经常用的是一种叫作D-SUB 9 针pin的连接器而USB 连接中用到的USB 连接器则种类繁多。

  相对于一般计算机而言网关在CPU 和内存这些硬件的性能方面比较受限。我们需要确定让网关做哪些事情也需要考虑到它的硬件性能。

  首先前端部分包括数据接收服务器和数据发送服务器。数据接收服务器接收设备和网关发来的数据转交给后续的处理部分。数据发送服务器则刚好相反它负责把从处理服务器接收到的内容发送给设备。

  通常情况下Web 服务的前端部分只接受HTTP 协议。而物联网服务的前端部分则需要根据连接设备的不同来匹配HTTP 以外的协议。使用者需要考虑到协议的实时性和通信的轻量化以及能否以服务器为起点发送数据

  处理部分负责处理从前端部分接收到的数据。这里的“处理”指的是分解数据、存储数据、分析数据、生成发给设备的通知内容等等。数据处理包括批处理和流处理等批处理即把数据存入数据库之后一并进行处理而流处理是逐次处理从前端部分收到的数据

  最后是数据库。这里的数据库不只会用到关系数据库还会用到NoSQL 数据库。当然使用者需要根据想存储的数据和想使用的方法来选择数据库。

  网关是一台用于把不能直接连接到互联网的设备转发连接到互联网的设备。再往细了说网关是由3 种功能构成的图2.4。

  设备和网关是通过各种各样的接口连接的。当通过传感器终端连接时多数情况下是传感器单方面持续向服务器发送数据。根据设备不同也存在设备申请从外部获取数据时服务器向设备发送数据的情况这时就需要通过网关申请数据。

  接下来把从设备接收到的数据转化成能发送给服务器的格式。在表示从设备发送到网关的数据时也有把4 位二进制数如二进制数据和BCD 码替换成一位十进制数数据来表示的图2.5。这样的数据不会被直接发给服务器而是在网关处被转化成数值数据和字符串的格式。

  还存在下面这种情况不把每台设备发来的数据直接发送给服务器而是将大量数据整合在一起再发送给服务器。这么做有以下两个原因。

  第一通过整合数据能减少数据的附加信息减少数据量。第二通过一并发送数据能减轻访问物联网服务时对服务器造成的负担。

  向物联网服务发送数据。此时需要根据服务器来决定发送数据的时间间隔和发送数据的协议。另外为了能从物联网的服务器接收消息还得事先准备好这种功能。

  数据接收服务器就跟它的字面意思一样负责接收从设备发送来的数据。它在设备和系统之间起着桥梁作用。有很多种方法可以从设备把数据发送给服务器其中具有代表性的包括以下两种方法。

  HTTP 协议提供的是最大众化且最简易的方法。使用一般的Web 框架就可以制作数据接收服务器。设备用HTTP 的GET 方法和POST 方法访问服务器把数据存入请求参数和BODY 并发送图2.6。

  WebSocket 是一种通信协议用于在互联网上实现套接字通信。它实现了Web 浏览器和Web 服务器间的数据双向连续传输。

  就HTTP 协议而言每次发送数据都必须生成发送数据用的通信路径及连接。此外一般情况下客户端没有发出申请就不能进行通信。

  相对而言WebSocket 就不同了。只要一开始根据客户端发出的连接申请确立了连接就能持续用同一个连接传输数据。另外只要确立了连接就算客户端没有发出申请服务器也能给客户端发送数据图2.7。

  在发送语音数据等连续的数据以及发生与服务器的相互交换时就能使用WebSocket 了。WebSocket 自身只提供服务器与客户端的数据交换因此需要使用者另外决定在应用层上使用的协议。

  MQTT 交换的消息都附带“主题”地址各个客户端把这个“主题”视为收信地址对其执行传输消息的操作。形象地比喻一下中介就是接收邮件的邮箱。

  首先中介在等待各个客户端对其进行连接。订阅者连接中介把自己想订阅的主题名称告诉中介。这就叫作订阅。

  像这样借助于中介的发布/ 订阅型通信MQTT 就能实现物联网服务与多台设备之间的通信。另外MQTT 还实现了轻量型协议。因此它还能在网络带宽低、可靠性低的环境下运行又因为消息小、协议机制简单所以在硬件资源设备、CPU 和内存等受限的条件下也能运行可以说是为物联网量身定做的协议。MQTT 本身还具备特殊的机制

  MQTT 里存在3 个等级的QoS。“发布者和中介之间”以及“中介和订阅者之间”都分别定义了不同的QoS 等级以异步的方式运行。

  如果发布者事先发布了带有Retain 标志的消息那么订阅者就能在订阅后马上收到消息。

  当发布者发布了带有Retain 标志的消息时中介会把消息传递给订阅了主题的订阅者同时保存带有Retain 标志的最新的消息。此时若别的订阅者订阅了主题就能马上收到带有Retain 标志的新消息图2.14。

  Will 有“遗言”的意思。由于中介的I/O 错误或网络故障等情况发布者可能会突然从中介断开Will 就是专门针对于这种情况的一个机构它用于定义中介向订阅者发送的消息图2.15。

  发布者在连接中介时会用到CONNECT连接消息连接时对其指定Will 标志、要发送的消息以及QoS。这样一来如果连接意外断开Will 消息就会被传递给订阅者。另外还有一个标志叫作WillRetain。通过指定这个标志就能跟前面说的Retain 达到同样的效果即在中介处保存消息。

  前面我们围绕用于接收数据的通信过程即协议进行了讲解。事实上数据就是通过协议来进行交换的。当然就如我们前文所说这条规则在物联网的世界里也是不变的。数据要经过协议进行交换而数据2.3 接收数据41的格式也很重要。通过Web 协议来使用的数据格式中具有代表性的包括XML 和JSON图2.17。

  图像、语音、视频数据的处理“传感器数据、文本数据”和“图像、语音、视频”的数据格式差别很大。拿图像、语音、视频来说一条数据之巨大远远超过传感器数据而且这些数据是二进制数据很难转换成字符串所以就很难用前面介绍的XML 和JSON 格式对它们进行处理。用HTTP 发送图像数据时可以用XML 或JSON 格式记录拍摄时间和设备的信息用multi-part/form-data 格式来发送图像数据。然而换成语音和视频时就是一种时间上连续的数据。因此我们在发送语音和视频数据时需要下一番工夫。例如需要把语音和视频分割成一个个小文件来发送。在用HTTP 协议进行这项操作时每次发送一个小数据都会生成一个会话。这样一来就能通过有效应用WebSocket 等协议来减轻给物联网服务造成的负担了。这种情况下使用者或许需要使用MessagePack或是定义一个专门用于处理二进制的格式。再或者还能以用物联网服务进行语音和数据分析为前提只在设备处提取用于分析的特征并发送而不是把所有数据一并进行发送。大家在试图实现包含语音和视频数据的服务时不妨考虑一下本专栏的思路。

  处理服务器就是处理接收到的数据的地方。可以归纳成以下4 种数据分析、数据加工、数据保存以及向设备发出指令图2.20。

  批处理的方法是隔一段时间就分批处理一次积攒的数据。一般情况下是先把数据存入数据库里隔一段时间就从数据库获取数据执行处理。

  批处理是把数据攒起来一次性进行处理的方法。相对而言流处理是不保存数据按照到达处理服务器的顺序对数据依次进行处理。

  举个例子假设有个系统这个系统会对道路上行驶的车辆的当前位置和车辆雨刷的运转情况进行搜集。

  仅凭搜集那些雨刷正在运转的车辆的当前位置就能够实时确定哪片地区正在下雨。此时使用者可能想保存下过雨的地区的数据这时候只要保存处理结果就好所以原来的传感器数据可以丢掉不要流处理正适用于这种情况。用流处理平台就能实现流处理。

  数据库的作用是保存并灵活运用数据图2.25。除此之外其作用还包括从保存的数据中找出与所指定条件相符的数据。另外数据库还能把多条数据连在一起把它们作为一个数据取出。

  关系数据库是人们用得最普遍的数据库。如图2.25 所示关系数据库具备一种叫作表格的表格型数据结构其用途在于存储数据库使用者用SQL 语言来对其执行数据的提取、插入以及删除

  文档型数据库和键值存储一样都属于NoSQL 数据库的一种。文档型数据库能以XML 和JSON 这种结构化文档的格式保存数据。特别是近年来有一种叫作MongoDB 的文档型数据库很受欢迎它以JSON 的格式保存数据图2.29。

  发送服务器的目的在于向设备发送数据并控制设备。发送服务器可以使用2.3 节介绍过的HTTP、WebSocket、MQTT 协议和数据格式。

  一种是通过设备申请来发送数据的同步传输另一种是由发送服务器在任意时间发送数据的异步传输。那么就用HTTP、WebSocket、MQTT 协议来看看如何实现同步和异步传输。

  要实现数据发送HTTP 是最简单的方法。在这个方法里发送服务器是等待接收HTTP 请求的Web 服务器。设备向这台服务器申请发送数据作为响应服务器把数据发给设备图2.30。

  原因一无法确定唯一地址例如无法给设备设定全局IP 地址等。这种情况下发送服务器就不知道应该把数据发送给哪台设备了。

  原因二考虑到设备频繁断电和移动线路的传输费用。此时设备没有持续连接网络。即使设备已经连接过网络但只要没有持续连接那么即使发送服务器执行了发送数据的操作也发不到设备那里去图2.31。

  前文介绍了HTTP 和WebSocket它们采用的方法都是由设备访问发送服务器。就这些方法而言只要客户端没有发出申请数据就不会被发送。当然使用者也可以在设备上建立HTTP 和WebSocket 协议由服务器来连接设备。不过一旦增加了设备服务器想管理所有设备就相当困难了。

  针对这点我们来试着看一下这种服务器它灵活运用MQTT并且发挥了发布/ 订阅模型的优点。使用MQTT 时的发送服务器如图2.32所示。

  首先设备作为订阅者向MQTT 中介进行订阅。然后发送服务器则是发布者同样向中介进行发布。这样一来发送服务器只需要把确定的数据加在主题上发送就行了发送服务器和设备都不需要知道彼此的地址。只要知道中介的地址就能够实现通信。一旦订阅者断开中介就会负责在断开时发送通知并在重新连接时再次发送数据。

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