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第2章
物联网技术架构解析

物联网技术架构由感知层、网络层、平台层、应用层组成。因为有了这三大层技术架构的推动,物联网才可以获得如此迅猛的发展。而且现在,物联网已经逐渐成为人类社会中一项必不可少的技术,正在为公司创造更大的价值。

2.1 感知层:物联网的“五官”

感知层是物联网的“五官”,具备采集信息、感知与收集数据的能力。与其相关的技术包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)和射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID),这两项技术已经在一些领域大规模应用了很多年。

2.1.1 MEMS推动物联网发展

MEMS是微机电系统,主要是指可以批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电路、通信、电源于一体的微型系统。其在日本通常被称为微机械,在欧洲则被称为微系统。

经过多年发展,MEMS已经逐渐成为消费类市场的重要推动力,而且还被广泛应用于消费电子、医疗、汽车电子、工业等诸多领域,如图2-1所示。由于MEMS体积小、质量轻、能耗低、精度高,因此非常适合配置在手表、手机等便于携带的小型移动设备中。

图2-1 MEMS的主要应用领域

现在MEMS的发展势头十分强劲,根据开源证券提供的数据,至2021年年底,其市场规模已超过851亿元。尤其在物联网、人工智能等技术迅速普及之际,MEMS更是获得了无限机遇,逐渐成为移动终端创新的重要方向。

MEMS的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷头、硬盘驱动头等,这些产品的销售额和销售量都呈现迅速增长的趋势,为机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了绝佳机会。

2.1.2 RFID:少不了的“排头兵”

在物联网的感知层中,射频识别技术是少不了的“排头兵”。物联网的兴起带动了射频识别技术的发展,其市场规模也在不断增长。根据前瞻产业研究院提供的数据,到2022年,射频识别技术市场规模将达到上千亿元。

射频识别码是射频识别技术的关键应用,公司将信息存储在射频识别码中,读/写设备便可以通过无线信号与射频识别码交换这些信息。射频识别码体积比较小,而且比普通条形码存储的信息更多,现在已经成为普通条形码的替代品,在很多行业中得到了广泛应用。

例如,洪堡工厂在每个生产线上都安装了射频识别码,以便给产品贴上智能身份证,实现机器与机器之间的“对话”,让不同环节生产的零件无缝对接。产品每经过一个环节,读卡器会自动读出相关信息,并反馈到控制中心,从而实现自动化生产,提高生产效率。

洪堡工厂的原材料输送系统已经实现高度智能化,信息登记、下达订单、订单确认和订单追踪等环节都可以通过射频识别技术自动进行。工人会先把记录着相关信息的“看板条”夹到一个塑料夹里,再将其贴在盒子上。塑料夹底部有一块射频识别码,即产品的身份证。之后,机器通过识别这些身份证就可以知道下一步操作的具体步骤,最终完成生产。

射频识别技术投入使用后,洪堡工厂实现了生产过程的可视化和原材料的节约化,库存减少了30%,生产效率提高了10%,节约的资金高达几千万欧元。现在全球10多家洪堡工厂每个月需要扫描上百万个射频识别码,整个过程花费的时间比较短,效率很高。

为了进一步延长生产设备的寿命,洪堡工厂还给每一个生产设备都安装了射频识别码,利用生产执行系统,存储和显示每一个生产设备的信息。这些信息有助于系统动态监督生产设备的运作情况、寿命、维护保养时间表等参数,使技术人员及时保养和更换生产设备,不影响生产过程,进而帮助公司获得最大的经济效益。

随着经济的高速发展,射频识别技术将在工业、交通管理、金融支付、医疗、防伪等领域发挥非常重要的作用,为公司带来更大的价值。

2.2 网络层:物联网的“交通枢纽”

网络层需要与互联网融合,其核心和基础就是互联网。网络层由无线模组技术和通信技术组成,这两项技术是信息传输的重要通道,可以帮助网络层将信息传输出去。物联网的关键在于物与物之间的连接,网络层起到的就是这个作用。

2.2.1 无线模组技术

无线模组技术是连接感知层和网络层的重要技术,可以让终端设备具备传输信息的能力。其属于底层硬件,有不可替代的特征。在无线模组技术的助力下,芯片、存储器、功率放大器等设备都可以集成在同一个线路板上,从而实现终端设备的通信、定位等功能。

无线模组技术可以分为无线通信模组技术、无线定位模组技术。相对而言,前者的应用范围更广,因为不是所有终端设备都必须有定位功能。近年来,在共享单车、移动支付、智慧能源的推动下,无线模组技术获得迅猛发展,相关厂商的出货量也大幅度上涨。

在无线模组市场上,产品的覆盖范围和价格是公司的竞争力。在产品的覆盖范围方面,目前共享经济、农业环保监测、医疗、工业互联网等领域处于蓬勃发展期,出货量比较大,对无线模组产品的需求比较强烈,是公司可以关注的重点。

在产品的价格方面,物联网的发展让无线模组产品更受欢迎,但随之而来的还有非常激烈的价格战。例如,每当有无线模组产品上市时,各公司就要在价格上展开激烈竞争。在这种情况下,公司要想方设法降低研发无线模组产品的成本,让客户享受心满意足的价格。

2.2.2 通信技术如何赋能物联网

通信技术要赋能物联网,满足物联网与其他设备或技术融合的需求。现在与物联网相关的业务丰富多彩,其特征也各有千秋。通信技术将与物联网相互渗透,共同为人们的学习、工作、生活提供更便利高效的智能化与自动化服务。

为了更好地赋能物联网,通信技术要具备灵活性与拓展性,这样才能适应各类设备的连接。5G是具备灵活性与拓展性的通信技术,其与物联网深度融合可以让物联网发挥更重要的作用。例如,爱立信曾经利用宽带物联网技术控制船舶,结果非常成功。

爱立信在现场演示了智能船舶,这是一艘运用5G进行航行的无人驾驶船舶。该船舶通过对水质数据的收集与检测,利用高清摄像头对污染物进行识别,并对污染物进行处理,从而保障水源的质量。该船舶由爱立信、中国移动、云洲智能三大公司联合研发,使5G和物联网更好地应用于工作与生活,为人们带来更多便利。

爱立信的负责人表示,他们已经规划好技术的发展方向。就像无人驾驶船舶那样,他们以后会推出更多物联网领域的产品,并合理地在其中融入5G。

爱立信虽然在5G和物联网方面做出了尝试,但就目前的发展而言,5G和物联网的融合仍然处于起步阶段,各公司还要继续努力,如不断完善5G标准、升级物联网使其更成熟等。

2.3 平台层:物联网的“连接按钮”

平台层相当于一个“连接按钮”,在物联网技术架构中起着承上启下的作用。从成因来看,平台层是由于社会分工不断细化而产生的。正是因为有平台层的存在,公司才可以专心构建自己的应用或研发自己的产品,而不用花费时间去考虑如何让设备联网。

2.3.1 将应用开发者与终端连接起来

在物联网技术架构中,平台层是承上启下的关键部分。它不仅能够帮助智能设备实现管理、控制、运营一体化,从而为应用开发者提供统一接口,将终端和业务端连接起来,还可以为业务融合、数据价值孵化提供条件,有利于提升产业的整体价值。

如图2-2所示,平台层主要由连接管理平台CMP(Connectivity Management Platform)、设备管理平台DMP(Device Management Platform)、应用使能平台AEP(Application Enablement Platform)、业务分析平台BAP(Business Analytics Platform)四个部分组成。这四个部分也是连接应用开发者与终端的重要工具。

图2-2 平台层的基础网络

2.3.2 组成部分:CMP+DMP+AEP+BAP

连接管理平台CMP以运营商的网络为基础,可以提供可连接性管理与优化、终端管理、运营维护等服务。该平台具有资源管理、SIM卡管理、连接资费管理、套餐管理、网络资源用量管理、账单管理、故障管理等功能。目前比较知名的连接管理平台有思科的Jasper平台、爱立信的DCP、沃达丰的GDSP、Telit的M2M平台、PTC的Thingworx和Axeda等。

设备管理平台DMP主要对终端进行管理,即用户管理和物联网设备管理。该平台通过远程监控、配置调整、软件升级、故障排查、生命周期管理等功能帮助公司实现系统集成和增值开发。此外,该平台可以为公司查询设备产生数据,并基于这些数据为公司进行报警操作,避免公司遭受不必要的损失。目前比较知名的设备管理平台有IBM的Watson、百度云等。

应用使能平台AEP为公司提供了大量的中间件、开发工具、API接口、应用服务器、业务逻辑引擎等。但公司要想使用该平台,通常需要提供相关硬件,如网络接入环境等。现在艾拉物联、机智云、Comulo city、AWS loT等在应用使能平台方面都取得了不错的进展。

业务分析平台BAP主要通过大数据分析、机器学习等技术挖掘数据的价值,并以图表、报告等方式实现可视化展示。现在,由于人工智能不够成熟、数据感知层搭建的进度比较慢,致使该平台还处于发展阶段,但仍然出现了GE Predix、IBM Watson等经典案例。

2.4 应用层:物联网的“处理机器”

应用层位于物联网技术架构的顶层,其功能为“处理”,即对信息进行处理。应用层可以对感知层的数据进行计算,从而实现对物理世界的实时控制与精确管理。物联网的应用层可以分为消费驱动型和产业驱动型两种,二者各有特点,公司可以从中挖掘商机。

2.4.1 消费驱动型物联网成为“风口”

经过物联网多年的发展,消费驱动型物联网受到关注,成为“风口”,对人们的衣、食、住、行等各方面产生影响。这在一定程度上体现出物联网改变生活的现象。现在智能音箱、智能冰箱等产品受到欢迎,逐渐成为连接智能家居的终端设备。

这些产品进一步解放了人们的双手,并以此优势迅速占据市场。例如,2019年,全球智能音箱的销售额创下历史新高,亚马逊、谷歌、百度、阿里巴巴、小米都在其中分得了“一杯羹”。而且,即使在新冠肺炎疫情期间,智能音箱的销售额也只增不减。

除了智能音箱以外,可穿戴设备等智能应用也厚积薄发,逐渐具备规模化,早在2019年,其出货量就超过了3亿台。与此同时,智能门锁势头强劲,吸引了上千家公司入局,这些公司都凭借高质量的产品获得了巨额盈利。

根据GSMA Intelligence的预测,到2025年,全球消费驱动型物联网连接数量将实现2.5倍的增长。对我国来说,相关政策的大力支持将促成物联网在某些领域的大规模应用,这将进一步推动消费驱动型物联网的发展。

2.4.2 产业驱动型物联网发展潜力巨大

工业物联网是产业驱动型物联网的重要组成部分,其将传感器、控制器及先进技术融入生产过程,为公司节省了时间和成本。根据GE的1%理论,对规模庞大的工业领域来说,在时间和成本方面的微小变化都会为公司带来非常大的价值。

现在工业物联网的应用模式已经逐渐形成,这主要体现为智能制造的发展。Markets and Markets提供的研究报告显示,预计到2025年,全球智能制造市场规模将达到3848亿美元。

此外,农业物联网也在加速应用,智慧农业表现出强大的发展潜力。例如,物联网、大数据、移动互联网等技术在农业领域得到应用,使在线监测、精准种植、数字化管理成为现实。根据《中国数字乡村发展报告》的数据,预计到2022年,我国智慧农业市场规模将超过2500亿元,这意味着产业驱动型物联网将在我国发挥越来越重要的作用。 dpgC2tHfmvJRNXrB7a4VM58L4LXGqgDV+guIk1hry4sWE/Waz/U8sUm6897zyeIz

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