从零开始设计环保监测物联网系统(二)

IOT网关，接收sensor数据的总入口，主要是日志，安全防护，流控，协议转换等功能，

图1 IOT网关

之前有提到IOT网关是基于python的twisted框架实现的，初期的时候该IOT网关主要实现的功能是 数据接收和转换功能 和 安全防护 。

数据接收和转换功能 ，这里很简单，拟定好数据交互格式后，IOT网关按照约定好的格式进行解析，然后转发给后端服务进行进一步的处理

安全防护 ，设备的区分主要是依靠烧录到硬件的SN号来实现，SN号包含的信息比较多，如生产批次，设备型号等，受制于厂商我安全防护不能做的非常完善，同时sensor与IOT网关的交互不能非常复杂。安全防护这一块理论上是设备接入要一型一密或者一机一密，协议上还应该启用tls/ssl安全通信协议。

图2 鉴权

安全防护要做ssl这类的安全通信协议的话，要考虑设备厂商实现通信模块能力，设备功耗，设备性能（低端设备cpu性能可能比较差，可考虑对称加密形式），IOT网关也需要引入相应模块。

另外认证从性能方面考虑，后期在设备比较多的情况下，可以加入redis等内存型key-value数据库，缓存设备信息，提高鉴权模块性能。

实践中，我们的sensor基本都是依靠电池供电，因此我们的IOT网关基本是面向短链接（后期我们有监测设备，依靠外部电源直接供电，为长连接），因此在每次发起连接我们都要进行一次鉴权，鉴权通过后，设备方可上传传感器监测数据和设备自身状态。

图3 数据交互流程

这一块的调试工作长达半年左右，才基本稳定下来，主要集中在设备商处除了硬件稳定性，还有在调试中发现传输的字符串乱码（c语言处理问题），沾包（厂商开发人员tcp协议不熟），优化传输效率，关闭cork或者 Nagle 算法（传输包很小）。

因为IOT网关不能主动断连接，理论 *** 作中，IOT网关应该和sensor有心跳协议，保证连接的有效性。设备商在数据流程交互完成后，竟然没有close 连接，直接休眠，导致网关所在服务器的连接的文件描述符一直没有正常释放，后面为了预防这种现象，我开启了 *** 作系统层面的keepalve定时器，回收失效连接（系统默认时间是2小时左右，我缩短了失效时间），理论上来说应该是应用层面去实现心跳协议。

整个IOT网关的设计，是无状态，可伸缩的，单网关在普通型ecs上可轻松达到数百tps。

物联网工程师需要学习一下几个方面:

1、物联网产业与技术导论：全面了解物联网之RFID、M2M、传感网、两化融合等技术与应用。

2、C语言程序设计：物联网涉及底层编程，C语言为必修课，同时需要了解OSGi，OPC，Silverlight等技术标准。

3、单片机原理及应用：物联网的底层单片机及其相关应用技术，包括控制、多媒体等。

4、Java程序设计：物联网应用层，服务器端集成技术，开放Java培训技术也是必修课，同时需要了解Eclipse,SWT,Flash,HTML5等技术使用。

5、物联网工程概论：全面了解物联网基本知识、技术体系以及相关理论，对物联网的关键技术，如EPC和RFID技术、传感器技术、无线传感器网络技术、M2M技术等。同时应对与物联网密切相关的云计算、智能技术、安全技术也进行论述。

6、无线传感网络概论：学习各种无线RF通讯技术与标准，Zigbee,蓝牙，WiFi，GPRS,CDMA，3G,4G,5G等等。

7、TCP/IP网络与协议：TCP/IP以及OSI网络分层协议标准是所有有线和无线网络协议的基础，Socket编程技术也是基础技能。

8、嵌入式系统技术：嵌入式系统是物联网感知层和通讯层重要技术。

9、传感器技术概论：物联网专业学生需要对传感器技术与发展，尤其是在应用中如何选用有所了解，但不一定需要了解传感器的设计与生产，对相关的材料科学，生物技术等有深入了解。

10、RFID技术概论：RFID作为物联网主要技术之一，需要了解。

11、工业信息化及现场总线技术：工业信息化也是物联网主要应用领域，需要了解。

物联网软件、标准、与中间件技术：物联网产业发展的关键在于应用，软件是灵魂，中间件是产业化的基石，需要学习和了解。

行业主要企业：大富科技(300134)、梦网集团(002123)、共进股份(603118)、胜宏科技(300476)、润和软件(300339)、立昂技术(300603)

本文核心数据：全球物联网市场规模、全球物联网连接数量、全球物联网下游行业分布

处于市场验证期

物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等 信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与因特网连接起来，进行信息交换
和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网发 展历史悠久，可分为三个阶段：

物联网连接数超120亿个

根据全球移动通信系统协会(GSMA)统计数据显示，2010-2020年全球物联网设备数量高速增长，复合增长率达19%;2020年，全球物联网设备连接数量高达126亿个。“万物物联”成为全球网络未来发展的重要方向，据GSMA预测，2025年全球物联网设备(包括蜂窝及非蜂窝)联网数量将达到约246亿个。万物互联成为全球网络未来发展的重要方向。

下游制造业/工业占比最大

从下游领域来看，根据IoT
Analytics的数据，2020年全球物联网行业下游占比中，制造业/工业占比22%排在首位，其次是交通/车联网，占比15%。智慧能源、智慧零售、智慧城市、智慧医疗和智能物流分别占比14%、12%、12%、9%和7%，排在第3至7位。

2020年物联网链接内容90%属低功耗、广域网领域

2020年整个物联网90%连接属于低功耗、广域网领域。万物互联趋势下，传统移动蜂窝网络的高使用成本和高功耗催生了专为物联网连接设计的低功耗广域连接技术，对应中低速率应用场景，拥有广覆盖、扩展性强等特征，更符合室外、大规模接入的物联网应用。

2026年市场规模接近155万亿美元

根据知名国际信息技术数据公司lDC的测算，2019年全球loT市场规模为6860亿美元，到2022年，这一数字将突破万亿美元;与此同时，2019年全球通过万物互联传输的数据规模已达到14ZB，2025年传输规模则将达到80ZB。在loT行业本身的从全球来看，目前全球物联网相关的技术、标准、产业、应用、服务处于高速发展阶段。整体上物联网核心技术持续发展，标准体系正在构建，产业体系处于建立和完善过程中。移动互联网连接和工业互联网连接是未来发展的主要趋势，根据lDC的测算数据，2020年全球物联网市场规模为7490亿美元，年平均增长率为1220%;预计2026年，全球物联网市场规模将会接近155万亿美元。

以上数据参考前瞻产业研究院《中国物联网行业细分市场需求与投资机会分析报告》。

物联网的应用如下：

1、智慧物流

智慧物流是指在大数据、物联网、人工智能等信息技术支持下，实现运输、仓储、配送等物流各环节的系统感知、综合分析和处理。

目前物联网领域的应用主要体现在仓储、运输监控、快递终端三个方面。通过物联网技术实现对货物和运输车辆的监控，包括货物车辆的位置和状态、温湿度、油耗和货物的速度。物联网技术的使用，可以提高整个物流行业和运输效率的智能化水平。

2、智慧交通

智能交通是物联网的重要体现，它利用信息技术改善交通环境，将人、车、路紧密结合，保障交通安全，提高资源利用率。物联网技术的具体应用领域包括智能公交、自行车共享、车联网、充电桩监控、智能交通灯和智能停车。其中，车联网是近年来互联网公司和各大厂商争相进入的领域。

3、智能安全

这是一个很大的安全物联网应用市场，因为安全永远是人们的基本需求。传统安防非常耗费人力，严重依赖人员，而智能安防可以通过设备实现智能判断。目前智能安防的核心部分在于智能安防系统，将采集到的图像进行分析处理，并进行传输存储。

4、智慧能源与环境保护

智慧能源环保是智慧城市的一部分，其物联网应用主要集中在电、气、水、路灯等能源和公共设施，以及垃圾桶、井盖等环保设备。

比如智能井盖监测水位及其状态，智能垃圾桶自动感应，智能水电表实现远程抄表。将物联网技术，应用于传统电、水、光能设备的联网，通过监控，降低能耗，提高利用效率。

5、智能医疗

在智能医疗领域，必须以人为中心。物联网技术是数据采集的主要方式，可以有效帮助医院实现人和物的智能管理。对人的智能管理是指通过医疗可穿戴设备，传感器对人的生理状态（如心跳频率）进行监测，并将采集到的数据记录到电子健康档案中。

6、智能仓库

物联网一个很好的应用。它能准确地提供仓库管理各个环节数据的真实性，对于生产企业，可以根据这个数据合理的把控库存量，调整生产量。物联网中利用SNHGES系统的库位管理功能，可以准确提供货物库存位置，这就大大提高了仓库管理的效率。
7、智能家庭

物联网的出现让我们的日常生活更加的便捷。不远的将来一台手机，就可以 *** 作家里大多数的电器，查看它们的运行状态。寒冷的冬天，我们可以提前打开家里的空调，回到家就暖暖的。物联网还能准确的定位家庭成员的位置，你再也不用担心孩子跑得找不见人，省心省力。
8、智能农业

物联网在农业中的应用就更加的广泛。监测温湿度，监视土壤酸碱度，查看家禽的状态。在这些数据的支持下，农户就可以合理进行科学评估，安排施肥，灌溉。监测到的天气情况比如降水，风力等又为我们抗灾、减灾提供了依据。提高了产量，降低了减产风险。
9、智能电力

电力工程是一项重大的民生工程，对电网的安全检测是一项必修科目。以南方电网与中国移动通过M2M技术进行的合作为例，因为物联网的运用，使得自动化计量系统开始启动，使得故障评价处理时间得到一倍的缩减。

物联网的要求有哪些
李松
一个努力上进的码农
来自专栏STM32学习分享
在“剖析物联网的要求—第一部分”中介绍了先进的工艺技术、低功耗设计技术、多核系统的功耗问题、内核间的通讯、串行存储器接口以及系统安全。第二部分， 我们将介绍 BLE 无线链路、模拟前端、智能触摸界面以及其他重要的物联网设计技术。
无线连接技术的发展：
基于物联网的设备连接仍处于起步阶段。这意味着，随着新应用程式的涌现，显著提高了微控制器（MCU）系统在速度、功耗、范围和容量方面的需求。该领域的潜在商机打破了在设计方面的局限性。蓝牙技术联盟最新（特殊利益集团）宣布，蓝牙50标准定位于电子产业对物联网市场需求的典型布局。内容指出，全新的 BLE 标准可提供两倍的传输速度、四倍的传输范围以及广播包的数据承载量是上一个版本的8倍。这些新的技术特性将极大地促进物联网设备与我们日常生活间的各种连接。MCU作为物联网设备的核心，必须与时俱进，紧跟协议的发展进程，支持新标准提供的各种特性。以下是即将推出的最新BLE标准的主要特性。
· 速度（传输更快）：蓝牙50传输速度上限为2Mbps，是之前42版本的两倍。
· 传输距离（通信距离更远）：有效工作距离可达300米，是旧版本的4倍之多。
· 低功耗（延长电池/设备工作时间）：协议优化大大降低了能源消耗，提升了其性能。
· 广播能力（更大的承载量）：协议优化将提升800%增长的数据广播包的承载量。
· 安全功能：高安全加密及认证，确保只允许经受权用户跟踪设备位置和安全配对。
扩充处理器容量、内存及功耗方面的性能不会凭空而来。对于许多应用程序而言，底层硬件（例如MCU）需要做出相应调整以适应这些特性。因此，生产商在设计下一代MCU时必须时刻紧记这些要求。例如，赛普拉斯 PSoC 6 BLE MCU（见图1）为物联网设计人员提供BLE 50所具备的这些功能。
尽管这些特点会增加MCU的负载，但也能为终端用户带来诸多好处：
· 性能（范围优势）：相比于基于物联网的其他协议，如Wi-Fi及ZigBee，BLE已经成为无线通信协议的首选。改进过的覆盖范围将确保蓝牙设备（如扬声器、智能门锁、灯泡等）可以在家里任意位置实现完全连接。这是真正实现智能家居的关键一步。BLE 50也有可能取代高功耗的Wi-Fi，控制智能家居设备。改进后的覆盖范围还能让智能手表等设备更方便地接收来自智能手机的即时通知。
· 低功耗（速度优势）：更快的转输速度提高了响应能力。对于那些非数据密集型物联网设备来说，更快的速度意味着会带来更低的消耗及更长的使用寿命。例如，将传输速度增加两倍，发送/接收时间减少近一半。这样就可以减少功耗，因为设备可以迅速进入低功耗模式。此外，更高的传输速度支持周期性的设备软件更新，这将是物联网应用的一个重要功能。
· 无线连接服务（广播容量优势）：广播容量的显著增加将使信息传输更加丰富和智能化，Beacon等无线连接服务将能够传输更多的信息。举例来说，Beacon可以传输实际内容，而不是通过URL指向内容。这可能将重新定义蓝牙设备传播信息的方式，因为它通过无需连接的物联网传输信息，而非蓝牙配对设备模式。这有可能让资产跟踪和智能垃圾管理等先进的应用更加智能地使用网状网络。
智能触摸界面：
正如第一部分中所讲到的，物联网设备跨越消费类、工业、汽车和商业应用领域。这些应用都能受惠于美观的的用户界面，且具备产品差异化，如触摸显示屏、按钮/滑块以及近距离感应。为了让用户享受最佳体验

1、核心技术能力不足

我国物联网产业在专利、产品、解决方案等层面对国外存在较大依赖，如果核心技术没有重大的突破，我国物联网产业就有可能沦为发达国家的加工制造环节，所获取的利润非常微薄。

2、行业融合难度较大

目前，我国物联网产业的发展还不成熟，没有打破不同行业、地区、部门之间的壁垒，缺乏相关的协同；没有形成一定的规模效应，导致物联网成本居高不下，难以形成大规模应用 ，阻碍了物联网的推广和产业链的成熟。

3、存在较大网络安全隐患

物联网作为一个新型共享网络平台，其发展建设涉及到海量的信息安全、隐私和数据保护的问题，而目前还是缺乏技术上统一认可的手段以及监管上基于安全隐私保护的法规，导致一些人和事对物联网的应用 缺乏信心和安全感。

4、缺乏成熟的商业模式

物联网产业起步阶段的用户很少，难以达到规模经济，无法形成供给和需求相互促进的良性发展的机制，从而制约了物联网市场化盈利模式的形成。

5、缺乏统一的标准体系

我国在物联网标准制定方面启动得比较早，也取得了明显的效果，但我国现在的标准还比较零散、缺乏、缺失，而且不统一。

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