物联网系统框架搭建指南：设备接入、通信方式与数据应用全解析

下面将讨论几个关键问题：

设备如何连接到网络？设备如何通信？物联网数据的目的是什么？如何构建物联网系统框架？它的技术架构是怎样的？物联网终端软件系统架构？物联网云平台系统架构？

1.物联网设备如何连接网络？

只有当设备连接到网络时才可以被视为物联网设备。这里涉及到两个关键点：接入方式和网络通信方式。

设备接入方式：目前有2种接入方式

直接接入：物联网终端设备本身具备组网能力，可以直接接入网络，例如在设备上添加NB-IOT通信模块、2G通信模块。

网关接入：物联网终端设备本身不具备连接网络的能力。本地组网后需要通过网关连接网络。例如，终端设备通过Zigbee无线联网，然后各设备的数据通过Zigbee网关统一接入网络。常用的本地无线网络技术包括Zigbee、Lora、BLE MESH、sub-1GHZ等。

在物联网设备中，物联网网关扮演着非常重要的角色。位于本地局域网和外部接入网之间的智能设备。主要功能是网络隔离、协议转换/适配、网络内外数据传输。

典型的物联网网关架构如下：

网络通讯方式

常用的通信网络主要有两种方式：

1、移动网络（主要用于室外设备）移动网络2G/3G/4G/5G/NB-IOT等。

2、宽带（主要针对室内设备）WIFI、以太网等。

物联网设备接入网络后如何进行M2M、M2C通信？

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，设备之间需要进行通信，设备与云端之间需要进行通信。只有互操作，物联网的价值才能显现出来。由于需要互操作性，因此需要一套物联网通信协议。只有遵循这组协议的设备才能相互通信并交换数据。

常用的物联网通信协议有哪些？主要有以下几种协议：MQTT、COAP等，它们有一个共同点，都是基于消息模型。设备与设备之间以及设备与云端之间通过交换消息来实现通信，消息携带通信数据。

当物联网设备之间、设备与云平台之间能够进行数据交换后，接下来我们应该做什么？

21世纪最重要的是什么？数据。借助大量的物联网设备数据，人类可以挖掘数据，探索其商业价值，预测设备的未来状态等等。

对于物联网数据应用来说，可以分为几个层次。

1. 基础应用：监控

通过物联网采集设备数据后，如果设备数据状态超出预设状态，会第一时间自动发出报警，管理员可以尽快处理，并可以通过远程操作下达命令。将问题消灭在萌芽状态。

2. 高级应用：报表统计

通过统计方法，对设备的历史运行数据进行统计分析。不同的报告可以根据不同的维度进行分析。然后以图表或者大屏幕的形式展现在管理员面前。管理员可以快速直观地了解整个物联网设备的运行状态。

3. 高级应用：数据挖掘/机器学习

这部分需要从数据中挖掘有价值的东西。例如，通过对一段时间内的设备数据进行持续跟踪和分析，并结合人类过去的设备运维经验，利用机器学习的方法来预测设备发生故障的概率，以及可能的故障原因，以及提供维护计划。刚才提到的例子只是物联网高级应用的冰山一角。通过引入现在热门的AI技术。物联网可以成为智能物联网。也许在不久的将来，人和设备可以自由对话，设备也可以相互对话并自动做出最优决策。

综上所述，物联网的价值在于提高生产效率和管理效率，极大地促进社会生产力的提高。

如何构建物联网系统框架？它的技术架构是怎样的？

物联网终端设备软件系统架构

综上所述，常见的系统框架主要有两类：带RTOS的（处理复杂业务场景，需要多个事务并行完成）和不带RTOS的（通常处理单一业务场景）

无RTOS设备的终端系统框架：

带有RTOS设备的终端系统框架：

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什么是实时操作系统？实时多任务操作系统，可以在终端设备上并行运行多个任务。每个任务负责一个事务。通过并行运行，提高了实时响应和效率。 RTOS实时运算内核一般包含的重要组件如下：

1. 任务调度

2. 任务间的同步与通信

3. 内存分配

4. 中断管理

6.时间管理

7. 设备驱动程序

以任务调度组件为例：

在嵌入式操作系统中，任务是CPU上最小的运行单元。通常一个稍微复杂的IOT APP是由多个任务完成的。例如，有的任务负责处理用户事件输入和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。

由于系统中有多个任务在运行，而CPU资源确实是单一的，因此CPU上一次只能运行一个任务。因此，为了让每个任务都有机会在CPU上运行，这就涉及到任务调度的概念。任务调度需要遵循一定的规则。一般遵循哪些规则？常见的调度方法有三种：一种是基于优先级的调度，一种是基于时间片的调度，还有一种是优先级和时间片相结合的调度。

以优先级调度为例，在定义任务时，为每个任务分配一个优先级。运行时，优先级高的任务会先运行。低优先级任务将不会运行，直到不再有高优先级任务为止。如果低优先级任务获得了CPU资源，如果高优先级任务准备好了怎么办？两种处理方式：1.继续运行2.抢占。高优先级抢占CPU资源，进入运行状态。

其他组件就不一一列举了。

物联网云平台系统架构

物联网云平台系统架构主要包括四大组成部分：

设备接入

设备管理

规则引擎

安全认证和权限管理

设备接入

设备接入的主要功能有哪些？

1.包含多种设备接入协议，其中最主流的是MQTT协议。一些云计算厂商也将MQTT协议简化为独特的访问协议。

2.并发连接管理，保持数十亿设备的长连接管理。

如何管理数十亿设备连接？目前开放的MQTT代理服务器大多是单机版，最多可以同时连接数十万台设备。因此，如果要管理数十亿的连接，就需要使用负载均衡和分布式架构。云平台上需要部署分布式MQTT代理服务器。

设备管理

设备一般采用树形结构进行管理，包括设备创建管理、设备状态管理等。根节点从产品开始，然后是设备组，最后到具体设备。

主要包括以下管理：

产品注册及管理

产品下设备的增、删、改、查管理

设备新闻发布

OTA设备升级管理等

规则引擎

物联网云平台通常是基于现有的云计算平台构建的。成熟的物联网业务除了使用物联网云平台提供的功能外，一般还需要使用云计算平台提供的功能，如云主机、云数据库等，用户可以在云上构建Web行业应用服务主机。

规则引擎的主要功能是通过过滤将物联网平台数据转发给其他云计算产品。

例如，设备上报的数据可以转发到表存储数据库产品。

规则引擎的一般用法：类SQL语言。通过编写SQL语言，用户可以过滤数据、处理数据、将数据发送到其他云计算产品或其他云计算服务。

安全认证与权限管理

物联网云平台为每台设备颁发唯一的证书，只有证书通过后才允许设备访问云平台。云平台的最小授权粒度一般在设备级别。我们所说的证书一般分为两种：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威，可以操作该产品下的所有设备。设备级证书只能在其所属的设备上操作，不能在其他设备上操作。

因此，每个连接到云平台的设备在本地都会存储一个证书（实际上是KEY的形式，由多个字符串组成）。每次与云端建立连接时，都必须携带证书。使云安全组件能够通过验证。

云计算产品

大数据计算产品、云基础服务（高性能服务器、云数据库、云网络）等

物联网应用

智慧城市、智慧农业、工业4.0等

下图来自百度IoT平台架构：

重点介绍了物联网设备、物联网云平台、云计算平台如何协同工作，具有很大的参考价值。

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