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物联网技术到底是什么技术 转载
2017-06-01 10:58/   24不可说/   8825/   0 /   0

 

    最近听到一句话只要有人的地方,就有物联网技术。据说有开设这个专业的大学,就想知道这个专业到底是学什么的?

   「只要有人的地方,就有物联网技术。」我不清楚这句话的出处,只知道有人的地方就有江湖~哈哈。想说的是,「物联网技术」这个名词是一个很大很泛的概念,可以说不存在这种技术,也可以说这技术实际上就是当今电子通信、计算机三大领域的基础技术。

回答「物联网和互联网的区别和联系?」简单阐明了物联网和互联网之间的关系。请问,1994年中国接入互联网以来,我们作为互联网原著居民的90后,认为互联网技术又是一种怎样的技术呢?

    我就奇了怪了,当初教育局怎么不开一个互联网技术专业?实际上现在也没必要开设互联网专业了,当今大学的计算机系本科所学的大部分内容,就是互联网会用到的技术。其中之一是Web建站技术

      Web 建站技术中,HTMLHTML5XHTMLCSSSQLJavaScriptPHPASP.NETWeb Services 是什么? - 张秋怡的回答

什么?你们计算机系不是学这些?来来来,我电脑坏了,过来帮我修一下电脑吧~

    总之,互联网是一个时代,物联网,也是一个时代。物联网技术是当今电子、通信、计算机、IT行业技术的大融合。如图,物联网技术的技术组成(简单版)。

 

 

物联网技术之一:单片机/嵌入式开发



      智能硬件,哎,不就是单片机吗?说到底就是一个微控制器,现在出现的智能手表,调光LED灯,蓝牙开锁,WiFi插座等等,说到底不就是单片机开发嘛?单片机,电子和通信专业一般都会教51AVR、计算机系接触不到。现在流行的Arduino也是单片机开发的一种。

    但是要做一款智能硬件,技术上只会单片机编程还是不行的。哎呀嘛什么智能硬件,本质上就是一个电子产品!。所以你要开发一款能拿得出手的智能硬件,电子系统设计必须要会的!

电子系统设计(电子系统设计与实践 (豆瓣)),我不是指《电子系统设计》这本书里的内容,而是一个动手实验过程。要做智能硬件,广看书没用,只会单片机编程也不够的!真正有用的是一个实打实的课程设计,或者一个项目经历。一个电子系统设计流程一般是这样的。

硬件设计阶段:

·        MCU选择

·        电路设计(电路图)

·        验证电路(面包板、万用板)

·        电路板设计(PCB图)

·        送工厂打板或自己做板

·        元器件、物料管理(采购等)

·        拿到电路板后

§ 焊接芯片和元器件

§ 上电测试

§ 烧写最后版本的代码到芯片里

    如果你熟悉以上硬件设计阶段,并知道要做什么事情,已经是一个合格的单片机硬件工程师了哈~接下来就是单片机软件工程师的事情了,单片机软件一般都不会太复杂,有的不用操作系统的裸机开发,做过单片机课程设计的学生都懂。

软件设计流程:

·        确定软件架构(主循环?状态机轮询?)

·        编写软件

·        调试代码(开发板或自己搭建好的电路)

·        烧写最终版本的代码到电路里

    这些都不算复杂了,如果你用的芯片高级一点,不是微控制器而是微处理器的话,那么就是嵌入式开发了。

ARM芯片架构系列

    一般网上STM32开发板的芯片是STM32F103,也就是Cortex-M3核,还算是单片机开发,如果外设没有太多功能,单片机想用更小巧一点的,可以选用M0核的芯片,名副其实的微控制器了。如果使用Cortex-A9开发,你这是要开发手机还是机顶盒?

Cortex-A系列芯片的开发,或者说这类产品,一般一个人不可能独立完成所有工作,这种嵌入式开发的技术最少分为四个层次:硬件层驱动层系统层应用层。每一层次都需要有人去设计。驱动和系统可以移植,硬件电路板肯定要专门的硬件工程师去做的,应用层可以交给应用工程师,只要上了Linux系统,不也就是Linux应用开发嘛?如果去网上买回来的嵌入式开发板,能拿得出手的项目只能应用层开发,比如什么「数码相框系统」、「视频点播系统」。别告诉我学会移植ubootLinux就可以找工作了。

 

 

物联网技术之二:网络通信协议

    智能硬件与传统的电子产品最大的差别,就是智能硬件连上了网络。要连上网络,就需要用到网络通信模块及学习网络通信协议——TCP/IP

     TCP/IP是一个技术的总称,里面包含两种协议TCPUDP,位于网络通信分层模型的传输层,同时也是由操作系统管理。而HTTPDNSURI等这些技术,属于应用层,位于TCP/UDP之上。同样,最近物联网比较流行的,针对计算能力有限的通讯设备而出的MQTT协议,也属于TCP之上。

    为了让电子产品有联网的能力,只要在电路设计上给主控芯片连接一个通信模块,写好收发网络指令的代码,剩下的就是电子产品设计了。

    到这里,基本是一个物联网产品的雏形了,以上也是物联网中基本会用到的电子通信技术。

 

 

物联网技术之三:服务端开发框架

     Client/Server架构,即客户端/服务器架构。智能硬件连上后台服务器后,其就是一个客户端,一个终端。由于单片机中资源受限,实际上是不太可能用HTTP协议的,所以互联网中通用的Web服务器开发并不适合这里。有的厂家会在TCP之上自定义协议,有的就移植别人做好的协议比如MQTTCoAP等等。

服务端开发就比较复杂了。单片机/嵌入式软件开发还好,只要学习好C语言即可打遍天下无敌手,而服务端开发,用Java呢还是Python还是PHP?反正JavaPython选一个就好了,嵌入式出身的工程师,一般都会学Python

      Python服务器端的开发框架种类繁多,Web开发的有DjangoFlaskTornadoWeb ServerTCP服务器可以用Twisted,等等。MQTT有已经做好的服务器,像这样的服务器不用自己开发,直接部署即可。

    如图,这是我开发一个智能硬件的服务器端的框架图。使用Redis作为HTTPTCP服务器的数据共享内存,TCP Server收到的硬件端Client数据都存放到Redis里,用户端通过HTTP Server服务器,从Redis里获取硬件端的数据,然后展示到Web端或手机端上;如果用户端需要控制硬件,给HTTP服务器发送请求,然后Flask发送指令到RedisTwistedRedis收到指令后,就会给对应的硬件端发送指令,最后硬件执行响应的操作。

在这个项目开发中,最少需要开发用户端的HTTP服务端和硬件端的TCP服务器FlaskTwisted都可以说是互联网技术里的服务端开发技术,现在我把这两个技术框架拿过来一用,是不是也算物联网技术?物联网技术本身就是在现有成熟的技术上发展而来的。

到了这里,服务端开发和前面两个技术可以作为一个分层,前面的单片机/嵌入式和网络通信的开发可以算作是一个电子设备的开发,后台工程师只要拿到了这个电子设备,知道这个设备提供了哪些接口API),就可以进行后台开发了——把设备连上网络,分配给它一个IP或者什么的,配置好接口及相关操作,剩下的事情就交给前端了。

关于前端技术

     关于前端技术,我这里不好单独写一个主题,其一,我对前端技术没有那么熟悉,还处于前端技术=HTML+JavaScript+CCS的概念,以及手机端的APP开发;其二,前端技术与电子硬件技术间隔相差太远,前端更多的是和美工沟通,和后台协调,和设计师交流,甚至可能还需要有一定的美感;其三,大部分项目的最重要的是实现设备的稳定性、联网、数据的获取和控制。如果设备不稳定,数据出现差错,没法控制,再漂亮的前端页面也没用。其四,如果是做智能家居,做消费电子领域的项目,针对广大普通消费者,比如WiFi插座,一个漂亮的界面是很重要,但是大多数的物联网项目,只需要一个后台管理界面就行了。



所以,没有前端的设计,界面都是很丑咯!

 

 

物联网技术之四:无线自组网

    无线自组网,或称无线传感网络,这肯定是物联网专业的学生要学的一门学科,属于通信领域,电子、计算机出身的人对这没有太多的概念。无线自组网最典型的技术之一是,ZigBee

    什么是自组网?做个对比,比如我们的WiFi,我们要用手机去连一个SSID,输入密码才能连上WiFi,而且你的手机,一般来说也不可能再发射Wifi出去让其他手机连接,WiFi网络拓扑成星型网

     而自组网不一样,不需要用户输入用户名和密码,直接连到最近的一个自组网设备,最后自组网设备也可以作为一个中间节点,让下一级的设备连接进来,网络拓扑可以成星型网簇型网网型网。那么无线自组网的数据怎么流动呢?流去哪?无线自组网一般都会有一个数据汇聚的地方,这个地方就是网关

    但是ZigBee并没有连上互联网啊,它最多只是一个局域网!——这还不简单?这是就是网关要处理的事情了。而且,ZigBee协议栈Z-Stack是有Linux网关版本的。



Z-Stack - ZigBee 协议栈

    不过呢,由于各种原因,ZigBee开始走下坡路了,最新的6LoWPAN会逐渐替代。6LoWPAN,是一种低功耗的无线网状网络,其中每个节点都有自己的 IPv6 地址,允许其使用开放标准直接连接到互联网。ZigBee使用网内专用地址,互联网主机无法访问。集成 Ipv6/6LoWPAN 堆栈的开源操作系统Contiki也会逐步取代Z-Stack

    如果大学开设了无线自组网的课程,不是学习ZigBeeZ-Stack就是Contiki。使用无线自组网也并不是一个单独的开发过程,其技术需要结合单片机/嵌入式开发。

电源问题

    是的,如果要用无线自组网,电池续航的能力是一个问题。如果是类似与WiFi插座、智能饮水机、智能风扇等等,接上市电就能用,这些电源都不是问题。而对于无线自组网,往大的方向说就是所有的便携式智能设备,都受限于电池续航能力,比如智能手表,运动手环。不过呢,突破电池技术并不是物联网开发者所需要做的工作,我们能做的,只能是挑选更低功耗的芯片,设计电路功耗更低一点,让单片机休眠并使用中断唤醒机制。

用水果电池供电的某430单片机系统

 

物联网技术之五:RFID

    仔细观察上面那张无线技术的图,最右边,NFC/RFID。嗯,对,RFID非接触射频识别,也是物联网技术重中之重的技术,很多物联网书籍都会介绍RFID,搞得很多人以为RFID就是物联网。

    介绍RFID前先简单说一下条形码。去超市购物的时候,收银员把扫描枪对准上面的条形码扫一扫,商品信息和价格就录入到电脑里了。条形码替代了收银员手动输入数据,工作效率提高了几倍。

可是,进入21世纪后,条形码已经不能满足人们的需求,存储能力小、工作距离近、穿透能力弱、不能写操作等等都是条形码的缺点。这个时候就出现了RFID技术。

   一二线城市早已实现了的公交卡,以及校园一卡通,用的就是RFID技术。RFID可读可写,所以公交卡、校园卡的钱能存在卡里面。

     NFC,也是RFID的技术一种,目前大部分手机都支持的NFC功能,手机取代公交卡真的是迟早的事。要是手机没有NFC功能,也可以这么装逼:

   上班,在地铁里碰到同事。
   我看他用手机刷卡出入站挺方便,就问他怎么弄的,是不是要下载什么软件。
   他告诉我:这个很简单,只要把公交卡藏在手机套里就行了。

同样,RFID开发也是离不开单片机开发,网上也有相关的RFID开发套件出售。

结语

   当然,物联网技术绝对不止以上五种,物联网本身就是所有技术的大融合,做电子产品的还要考虑产品外壳,不过这是结构工程师的事情;做服务器后台的还要考虑用户帐号数据库读写等,前端也要考虑如何把设备数据和操作方式优雅的展现给用户看,这些是IT程序员的事情;电池技术也需要单方面突破,超小体积、超大容量,这个还得等待多时。

   与其说物联网是一种技术吧,不如说它是一个时代,物联网通过对相关技术进行整合,形成一个时代的概念,是一个建立在技术基础之上的时代。

标签: 物联网  ITPUB
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