物联网平台技术漫谈

本文整理自PTR集团首席科学家Mike Anderson的报告《TECHNICAL TRADE-OFFS OF IOT PLATFORMS》

PTR集团简介

• PTR集团成立于2000年
• 业务领域包括：
  • 机器人（NASA空间机械臂）
  • 飞行软件（超过35个在轨运行的卫星）
  • 攻击型或防御型的网络空间战

给你留下想象空间 J

• RTOS/Linux/裸机上的嵌入式软件移植
• IoT系统架构和部署

Mike Anderson简介

• 在嵌入式领域超过39年的工作经验
• 开发部分VxWorks
• Linux/Android内核讲师
• FRC #116 FIRST Robotics Team导师
• 经常在以下场合演讲：
  • 嵌入式Linux大会 Embedded Linux Conference
  • 嵌入式系统大会 Embedded Systems Conference
  • 美国中情局新技术大会 CIA Emerging Technology Conference
  • 其它

讨论内容

• 平台到底是什么？
• 架构
• 重量级玩家
• IoT和IIoT的区别
• 如何赚到钱？
• 总结

什么是Internet of Things？

• Thing是能够连接网络的任何设备
  • 电源管理、无线通信和CPU架构方面的进步能够将智能嵌入"哑"设备
• Thing产生的数据需要到某处使用
  • 在本地使用，如恒温器
  • 边界网关收集数据并预处理，以便转发到服务器
    • 雾模型 fog model
  • 直接发送至服务器
    • 云模型 cloud model
• 云平台提供指令、控制和数据分析

IoT核心

• 究其核心，IoT只是一种访问传感器数据并基于数据控制设备的方式
  • 传感器的数量和类型及其连接是差异化的因素
• 对数据的处理也是差异化的因素
  • 个人消费，如健身手环
    • 机器-人
  • 监控，如遥测/SCADA
    • 机器-机器
• 预测到2020年将有3万亿美元的市场

什么是平台？

• 取决于讨论的对象
  • 带有传感器的硬件
  • 针对传感器技术的操作系统
  • 通信协议/范式
  • 连接传感器到云端并提供数据分析的端到端系统
• 从某种角度讲，它包括上述所有内容
  • 取决于你的关注角度

消费类IoT

• 消费类IoT设备主要有2种用途
  • 健身相关设备
    • 可穿戴、锻炼器械等
  • 家庭监控或智能家居
    • 恒温器、烟雾探测器、摄像头等
• 健身市场比较新
  • 通常是电池供电的传感器
  • 蓝牙、NFC、Wi-Fi或者USB连接
  • 私有解决方案是主流
    • 比如Garmin、Fitbit、Runtastic等

消费类IoT #2

• 智能家居又名家庭自动化（home automation）
  • home automation曾经成功希望不大，市场表现平平
• 目前，这个领域的玩家很多
  • Thread
  • Apple HomeKit
  • ZigBee Alliance
  • Z-Wave Alliance
  • IoTivity
  • AllSeen
• 几十个组件生产商参与以上一个或多个生态中
• 互操作是成功的关键

Edge, Middle and Cloud

• IoT可以理解为包括边缘设备、中间盒子和云平台的生态系统
• 边缘设备包括传感器、执行器
  • 通常是电池供电，低功耗网络
  • 消费类边缘设备可能采用墙插式供电    

Edge, Middle and Cloud #2

• 中间盒子是边界路由器/网关
  • 将边缘设备的低功耗网络翻译为标准的互联网协议，如IPv4/IPv6
  • 可能提供数据预处理
• 云平台提供：
  • 与外部控制器的连接（智能手机、平板电脑等）
  • 数据汇集和分析
  • 连接和数据服务

边缘设备

• 通常使用小型微控制器，如Atmel AVR、ARM Cortex M、MicroChip PIC32等
  • 8/16/32位处理器
  • 无MMU
• IIoT的遗留边缘设备采用原有的有线通信技术，如RS-232/RS-485/RS-170
  • 工业物联网
  • 电线供电
• 有些边缘设备期望电池供电，并且一次性使用数年
• 无线连接，通过低功耗蓝牙、NFC、IEEE 80.15.4
• IPv4/IPv6/6LoWPAN或者私有技术如ZigBee或者Z-Wave

边缘设备 #2

• 规格多样，通常
  • RAM < 512 KB
  • Flash < 1-2 MB
  • CPU < 300MHz
• 传感器可能集成到SoC
• 软件可能运行在裸机或者RTOS上
  • 商业系统，如Wind River/Intel，Micrium，Green Hills，Express Logic
  • 开源系统，如FreeRTOS，Contiki
• C/C++是这部分的主流语言

边界路由器

• 中间盒子是边缘设备和互联网的网关
  • 从低功耗的无线网络获取数据并输出IP数据，通过Wi-Fi或者Ethernet
• 这类设备运行在基于MMU的操作系统上
  • Linux，Tizen，Android，iOS，Windows
• 采取形式如Apple TV、平板电脑或者其它带有图像界面的设备或者传感器，如Nest恒温器
  • 提供本地指令、控制功能和系统监控
• 你的系统可能有多个边界路由器冗余
• Java，JavaScript，Python，C/C++是主流语言

云平台

• 基于服务器的平台
  • 多核x86或者ARM，不间断电源
• 提供对设备的下行指令和控制
  • 如手持式设备接口
• 关注数据汇集和数据分析
• PB级的存储，强大的处理能力
• Apple Siri和很多其它智能代理的后台
• Web语言，如Java，JavaScript，Python等
• Hadoop等框架

PB有多大？

• B （2⁰）：1粒大米
• KB（2¹⁰）：1杯大米
• MB（2²⁰）：8袋大米
• GB（2³⁰）：3货车大米
• TB（2⁴⁰）：2集装箱
• PB（2⁵⁰）：覆盖曼哈顿
• EB（2⁶⁰）：覆盖英国
• ZB（2⁷⁰）：填满太平洋

消息协议

• 很多消息协议在争夺霸主地位
• MQTT - Message Queue Telemetry Transport
  • 星型方式
  • 为了消息可靠性，可基于TCP
  • 侧重于遥测数据收集
• XMPP - Extensible Messaging and Presence Protocol
  • 被Facebook和Jabber消息应用使用
  • 基于HTTP或者TCP上的XML
  • 通信速率依赖于人的使用频率

消息协议 #2

• DDS - Data Distribution Service
  • 侧重于设备到设备通信的订阅/发布式 M2M中间件
  • 对象管理组织的标准（Data Distribution Service）
  • 多种多样的设备和服务安全和互操作
• REST - Representational State Transfer
  • 使用HTTP操作（GET/POST/PUT/DELETE等）进行消息传输和存储
• CoAP - Constrained Application Protocol
  • HTTP协议的简化版，基于UDP，用于内存受限的设备
• 私有协议
  • 消费类设备经常使用这种方式

兼容性

• 很多物联网设备依赖于无线连接
  • Wi-Fi对于电池供电的设备来说过于耗电
    • 如果设备是电线供电则非常简单
    • 通常用于边界网关
  • 用于边缘设备的低功耗蓝牙（Bluetooth Smart），NFC，蜂窝通信和IEEE 802.15.4
    • IEEE 802.15.4三层以上各个厂家不一致
• 数据交换包括
  • MQTT，XMPP，CoAP，REST，DDS和私有协议

Apple HomeKit平台

• 使用蓝牙，Wi-Fi或者NFC
• 产品终于上市了
  • 门锁，恒温器，摄像头等各式俱全
  • 兼容iOS 8+设备
• 控制设备/边界网关是iPhone，iPad，Apple TV
• 端到端加密
• 支持基于时间和位置的触发器
• 每个边缘设备需要配备专有芯片
• 迄今为止，接入云平台尚不明确

Apple HomeKit平台 #2

• 目前没有Apple HomeKit App
• Apple依赖于厂家App
• 一旦关联，可以使用语音控制，兼容Siri
• 无人干预情况下，设备之间可以通信
  • 比如，电灯与百叶窗直接配合

IoTivity平台

• Open Connectivity Foundation（OCF）赞助的开源项目，由Linux基金会托管
• 支持典型的无线互联
• 支持消息通信，目前包括CoAP，MQTT和REST
  • JSON表示数据
• 仍是官方预览版软件
  • 支持Linux, Tizen, Android, Arduino (Mega 2560 and Due)
• 通过加密保障安全，支持证书
• 通过mDNS和uPNP支持服务发现
• 设备有认证流程

IoTivity平台 #2

• 不同的成员级别
  • 钻石级 @ 35万美元/每年
    • 董事会成员
  • 白金级 @ 5万美元/每年
  • 黄金级 @ 2千美元/每年
  • 非盈利机构/教育机构 黄金会员 @ 1千美元一次性
  • 所有成员级别均有资格查询OCF和UPnP认证的产品和服务
• OCF与其它生态系统有合作关系

AllSeen（AllJoyn）平台

• 由AllSeen联盟开发
  • 成员超过200家公司，包括微软，高通，思科，松下和索尼
• 由Linux基金会托管开源项目
• 使用D-Bus消息总线支持发现功能
• 通过网关代理API支持Android，iOS，Windows，Linux
  • 支持边缘设备
• 认证流程包括 "Design for AllSeen" logo计划

AllSeen（AllJoyn）平台 #2

• 端到端加密，X.509证书和其它内置安全特性
• 支持插件协议转换器，支持REST，XMPP，MQTT和TR-069
• 支持蓝牙，ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi等
• 软件可以下载
  • 支持各类芯片
• 产品案例
  • https://certify.alljoyn.org/certified-products

Thread组织

• Thread组织成立于2014年，非盈利组织
  • 独立的，中立的，开放的
  • 成员级别
    • 会员（2.5千美元/每年）
    • 贡献者（1万5千美元/每年）
    • 赞助者（10万美元/每年）
  • 超过200个成员
• Thread组织管理解决方案的发布
  • 规范、证书、网站、商标、版权、Logos/Seals
• 本质上是行业贸易组织，促进和保护Thread的知识产权

Thread标准

• 基于现有的IEEE 802.15.4标准
  • 使用6LoWPAN作为3层以上的协议 [RFC6282]
    • 在修改后的IPv6上使用UDP传输
    • 易于连接到网关，云平台或者智能手机
  • 每个网络支持250多个产品
• 只需对现有的802.15.4射频固件升级即可
  • 工作在2.4GHz的ISM频段
• 安全方面使用Datagram Transport Layer Security (DTLS) [RFC6347]
  • 提供集成、认证和加密

其它IoT项目/平台

• Kaa – http://www.kaaproject.org
  • 开源平台，支持Linux，Android，Windows，iOS
• ThingSpeak – http://thingspeak.com
  • 开源API，使用XML, JSON, REST协议
• Eclipse基金 – http://eclipse.org/kura
  • Kura是结合Apache Camel并基于Java/OSGi的API
  • 与Eurotech公司的Everywhere Cloud infrastructure有关
• 其它IoT项目没有什么缺点
  • 问题是发现适合自已的

工业物联网Industrial IoT

• 尽管消费类IoT的大肆宣传，很多人认为IIoT才是赚钱的地方
  • 大多数消费者实际上不关心PaaS方案
• 主要玩家正在投入很多钱到这部分市场
  • 比如，建筑物监控，流程控制传感器，制造工厂监控，SCADA等
    • 经常需要二类协议如MODBUS和BACNET
  • 一栋建筑可能需要多达8000个传感器
• 平台必须考虑整个生态系统
  • 许多服务以PaaS形式出售

IIoT平台的功能架构

IIoT平台 – ThingWorx

• http://www.thingworx.com
• 支持从边界网关到云平台的PaaS
  • 对于小型的边缘设备没有明确的途径
• 侧重于工业和医疗系统
• 提供数据存储和数据分析
• 加密保障安全
• 提供RAD平台快速开发应用，包括Android和iOS等
• 大的合作伙伴生态系统
• 支持MQTT，DDS，REST和其它开放协议

IIoT平台 – IBM Bluemix

• IBM的加入允许你使用第三方的API和服务
• 支持MQTT，REST和其它API
• 乐高积木式的服务、存储和数据分析
  • 访问基于Watson的数据分析
• 最多20个设备的免费版本
  • 更高级别的是支持1.5万个设备，100MB流量和1GB存储
    • 第一个1.5万个设备之后按设备个数收费

IIoT平台 – PubNub

• PubNub是一个全球数据流网络（DSN）
  • 安全、实时的IoT、移动和Web应用通信API
• 扩展至数亿个设备，250毫秒的全球时延，超过70个SDK
• 免费版本包括1个数据中心、100个设备、1百万条消息，附带邮件技术支持
  • 1个数据中心、1000个设备、1.5亿条消息~999美元/每月
• 与IBM Bluemix合作

IIoT平台 – Verizon

• 新服务ThingSpace
  • 刚刚开始
• API列表
  • 连接管理
  • 设备消息通信
  • Verizon云接入
• 试图利用LTE
  • 目标是低速率设备的LTE新无线模式
• 大量现有开发方案，包括BeagleBone Black和Raspberry Pi

IIoT平台 – Xively

• http://xively.com
  • 原名Pachube， Cosm
  • LogMeln的一个部门
• 工业应用的PaaS厂商
• 提供库和SDK集成到平台
• 使用消息代理和REST API
• 集成CRM，ERP和运维/调查分析
• 同时出售存储和服务

IIoT平台 – Etherios

• http://etherios.com
  • 原名Device Cloud
  • Digi的子公司
• 侧重于车队管理、重型机械、医疗器械、制造等
• 可扩展的云管理服务，具备办公系统集成能力
• 出售平台和服务
• 为设备集成移动应用、CRM、社交网络

IIoT平台 – ThingSquare

• ThingSquare
  • http://thingsquare.com
• 原来是一个Kickstarter项目
• 开始侧重于边缘设备
• 目前集成后端服务
• 整体服务到目前为止还未看到

总结

• IoT/IIoT以平台方式提供的产品没有不足之处
• 只要设备可以工作，消费领域的接受度预期是好的
• 工业领域的接受度依赖于从传感节点到数据分析和CRM的深度集成
• 诸如MQTT、DDS、REST、XMPP标准有望利于互操作
  • 诸如低功耗蓝牙、Wi-Fi和IEEE 802.15.4无线标准有助于解决物理连接问题
• 许多开源项目有助于促进合作
• 闭源实现将可能实现平滑互操作
  • 但是，被供应商绑定