此外還包括“邊緣”設(shè)備。邊緣設(shè)備本身可以是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也可以是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 “主機(jī)”。邊緣設(shè)備通常是管理計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，它們延伸到更接近數(shù)據(jù)產(chǎn)生或數(shù)據(jù)動(dòng)作的源。它們可能不是數(shù)據(jù)中心的典型服務(wù)器和集群，而是現(xiàn)場的空間、電力和環(huán)境加固設(shè)備。

例如，數(shù)據(jù)中心刀片服務(wù)器由針對可控環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的電子器件組成，其服務(wù)環(huán)境包含冷熱通道、熱交換器和不間斷電源。邊緣設(shè)備有可能會(huì)被放置在室外，暴露在天氣因素下，以及在無法持續(xù)供電的區(qū)域。其他時(shí)候，它們可能包括傳統(tǒng)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，但其不受數(shù)據(jù)中心的限制。

鑒于這些限定因素，物聯(lián)網(wǎng)市場的實(shí)際規(guī)模小于分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測。當(dāng)我們將傳統(tǒng)的IT和互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備劃分開來時(shí)，會(huì)看到不同的增長率，如圖1-4所示。

▲圖1-4 按定義將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與非物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如IT設(shè)備和移動(dòng)計(jì)算）的銷售量分開

進(jìn)一步分析物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用的實(shí)際組件，會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)有趣的模式。如前所述，大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備需要一定水平的性能和硬件才能通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信。然而，圖1-5顯示了通信芯片和處理器的數(shù)量與傳感器出貨數(shù)量的差異。這強(qiáng)化了一個(gè)概念：從傳感器到邊緣計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備有大量的“扇出”（fan-out）。

值得注意的是，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)裝置并不是具有運(yùn)行互聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件棧能力的單一設(shè)備。大多數(shù)傳感器和設(shè)備沒有直接連接互聯(lián)網(wǎng)的能力。它們?nèi)狈B接互聯(lián)網(wǎng)所需的處理能力、內(nèi)存資源和配電。更確切地說，很多真正的物聯(lián)網(wǎng)都依賴于星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)和邊緣計(jì)算機(jī)。

有大量設(shè)備的扇出通過本地個(gè)人區(qū)域網(wǎng)、非IP網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙）、工業(yè)協(xié)議（ModBus）、傳統(tǒng)的棕地（brownfield）協(xié)議（RS232）和硬件信號連接到邊緣計(jì)算機(jī)。

01 工業(yè)和制造業(yè)

按照連接數(shù)量和服務(wù)為制造業(yè)和工廠自動(dòng)化帶來的價(jià)值衡量，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial IoT，IIoT）是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中增長最快、規(guī)模最大的細(xì)分市場之一。這一細(xì)分市場歷來是運(yùn)營技術(shù)（OT）的領(lǐng)域。這涉及實(shí)時(shí)監(jiān)控物理設(shè)備的硬件和軟件工具。

這些系統(tǒng)在歷史上一直是管理工廠車間的性能和輸出的本地計(jì)算機(jī)和服務(wù)器。我們稱這些系統(tǒng)為監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）。傳統(tǒng)的IT角色與OT角色的管理方式不同。OT將關(guān)注產(chǎn)量指標(biāo)、正常運(yùn)行時(shí)間、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和響應(yīng)以及系統(tǒng)安全。IT角色將專注于安全性、分組、數(shù)據(jù)交付和服務(wù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)和制造業(yè)中的普及，這些領(lǐng)域會(huì)與成千上萬的工廠和生產(chǎn)機(jī)器的預(yù)測性維護(hù)相結(jié)合，將前所未有的數(shù)據(jù)量傳遞到私有云和公有云基礎(chǔ)設(shè)施。

▲圖1-5 物聯(lián)網(wǎng)銷售中傳感器、處理器和通信IC的銷售趨勢

這一細(xì)分市場的特點(diǎn)包括需要為OT提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)的決策，這意味著時(shí)延是工廠車間物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要問題。

此外，停機(jī)時(shí)間和安全性也是最受關(guān)注的問題。這意味著需要數(shù)據(jù)冗余，可能還需要私有云網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。工業(yè)細(xì)分市場是增長最快的市場之一。它的一個(gè)特點(diǎn)是對棕地技術(shù)的依賴，意味著硬件和軟件接口不是目前的主流技術(shù)。有30年歷史的生產(chǎn)機(jī)器通常依賴RS485串行接口，而不是現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

以下是工業(yè)和制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例及其影響：

02 消費(fèi)者

消費(fèi)類設(shè)備是最早接入互聯(lián)網(wǎng)的細(xì)分市場之一。在20世紀(jì)90年代，消費(fèi)者物聯(lián)網(wǎng)最早出現(xiàn)在一所大學(xué)里，它是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的咖啡壺。在21世紀(jì)初，隨著藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用，消費(fèi)者物聯(lián)網(wǎng)得到了蓬勃發(fā)展。

目前，數(shù)百萬個(gè)家庭擁有Nest溫控器、Hue智能燈泡、Alexa助手和Roku機(jī)頂盒。人們也把Fitbits和其他可穿戴技術(shù)聯(lián)系在一起。消費(fèi)者市場通常是最先采用這些新技術(shù)的市場。我們也可以將它們當(dāng)作小玩意。它們都經(jīng)過精美的包裝，并可以即插即用。

消費(fèi)者市場的一個(gè)制約因素是標(biāo)準(zhǔn)的分歧。例如，藍(lán)牙、Zigbee和Z-Wave等主要的WPAN協(xié)議都是不可互操作的。

這一細(xì)分市場和醫(yī)療保健市場有一些共同特點(diǎn)，醫(yī)療保健市場也有可穿戴設(shè)備和家庭健康監(jiān)護(hù)設(shè)備。醫(yī)療保健將超越簡單的可聯(lián)網(wǎng)家庭健康設(shè)備（例如，超越Fitbit智能手環(huán)的功能）。

以下是一些消費(fèi)者物聯(lián)網(wǎng)用例：

03 零售、金融和營銷

這一類別是指任何以消費(fèi)者為基礎(chǔ)的商業(yè)交易場所，可以是實(shí)體店，也可以是快閃售貨亭。這些服務(wù)包括傳統(tǒng)的銀行服務(wù)和保險(xiǎn)公司，也包括休閑和接待服務(wù)。零售物聯(lián)網(wǎng)正在發(fā)展，目的是降低銷售成本和改善客戶體驗(yàn)。這是通過大量的物聯(lián)網(wǎng)工具實(shí)現(xiàn)的。為了簡化，我們還將廣告和營銷添加到此類別。

這一細(xì)分市場衡量即時(shí)金融交易中的價(jià)值。如果物聯(lián)網(wǎng)解決方案不能提供這種響應(yīng)，則必須對它的投資建設(shè)進(jìn)行慎重考慮。這會(huì)限制人們尋找新的方法來節(jié)約成本或增加收入。提高客戶的效率可以使零售商和服務(wù)行業(yè)提供更好的客戶體驗(yàn)，同時(shí)將開銷和銷售成本損失降到最低。

一些此類物聯(lián)網(wǎng)用例如下：

04 醫(yī)療保健

醫(yī)療行業(yè)將與制造業(yè)和物流業(yè)爭奪物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域收入和影響的首位。對于幾乎每個(gè)發(fā)達(dá)國家，所有能提高生活質(zhì)量和降低醫(yī)療成本的系統(tǒng)都是最受關(guān)注的。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，無論患者身在何處，都可以對其進(jìn)行遠(yuǎn)程和靈活的監(jiān)控。

先進(jìn)的分析和機(jī)器學(xué)習(xí)工具將用于觀察患者，以診斷疾病和給出治療方案。在需要危重癥護(hù)理的情況下，這些系統(tǒng)還可以作為監(jiān)控器。目前，可穿戴健康監(jiān)視器約有5億臺(tái)，未來幾年將以兩位數(shù)的速度增長。

醫(yī)療系統(tǒng)的嚴(yán)管是非常重要的。從HIPAA合規(guī)到數(shù)據(jù)安全，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要像醫(yī)療級別的工具和設(shè)備一樣工作。如果患者在家接受監(jiān)控，那么現(xiàn)場系統(tǒng)需要與醫(yī)療中心進(jìn)行全天候、可靠且無停機(jī)時(shí)間的通信。系統(tǒng)可能需要在醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)監(jiān)視救護(hù)車輛中的患者。

一些醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)用例如下：

05 運(yùn)輸業(yè)和物流業(yè)

運(yùn)輸和物流在物聯(lián)網(wǎng)方面即使不是主要驅(qū)動(dòng)力，也是非常重要的驅(qū)動(dòng)力。這些用例涉及使用設(shè)備跟蹤正在交付、運(yùn)輸或裝運(yùn)的資產(chǎn)，無論是在卡車、火車、飛機(jī)還是船上。這也是車聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域，它們通過通信向駕駛員提供幫助，或代表駕駛員進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

現(xiàn)在，一輛普通的新車會(huì)有大約100個(gè)傳感器。隨著車–車通信、車–路通信和自動(dòng)駕駛成為實(shí)現(xiàn)安全性或舒適性的必備功能，這一數(shù)字將會(huì)翻倍。它的重要作用不僅局限于消費(fèi)性車輛，還延伸到無法承受任何停機(jī)時(shí)間的鐵路線和航運(yùn)船隊(duì)。

我們還將看到能夠跟蹤工人工具、建筑設(shè)備等資產(chǎn)和其他有價(jià)值資產(chǎn)的服務(wù)卡車。有些用例可能非常簡單，但也非常昂貴，比如監(jiān)控服務(wù)車輛在運(yùn)送貨物時(shí)的位置。系統(tǒng)需要根據(jù)需求和常規(guī)設(shè)定將卡車和服務(wù)人員自動(dòng)運(yùn)送到各個(gè)地點(diǎn)。

這種移動(dòng)型的系統(tǒng)有地理定位的要求，其中大部分來自GPS導(dǎo)航。從物聯(lián)網(wǎng)的角度看，分析的數(shù)據(jù)將包括資產(chǎn)和時(shí)間，也包括空間坐標(biāo)。

以下是一些運(yùn)輸業(yè)和物流業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例：

06 農(nóng)業(yè)和環(huán)境

農(nóng)業(yè)和環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)包括牲畜健康、土地和土壤分析、微觀氣候預(yù)測、有效用水等要素，以及在發(fā)生地質(zhì)和天氣相關(guān)災(zāi)害時(shí)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測。雖然世界人口增長放緩，但世界經(jīng)濟(jì)變得更加富裕。盡管饑荒不像100年前那么普遍，但到2035年對糧食生產(chǎn)的需求也將翻倍。

通過物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的顯著效率提升。利用智能照明并根據(jù)家禽年齡調(diào)整頻譜頻率，可以提高養(yǎng)雞場現(xiàn)有的生長速度并降低死亡率。此外，與目前使用的普通啞光白熾燈相比，智能照明系統(tǒng)每年可節(jié)省10億美元的能源。

其他用途包括利用傳感器的移動(dòng)和定位來檢測牲畜健康狀況。養(yǎng)牛場可以在細(xì)菌或病毒感染傳播之前發(fā)現(xiàn)有患病傾向的動(dòng)物。遠(yuǎn)程邊緣分析系統(tǒng)可以使用數(shù)據(jù)分析或機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)時(shí)查找、定位和隔離牛群。

該細(xì)分市場在偏遠(yuǎn)地區(qū)（火山）或人口稀疏區(qū)域（玉米田）將有所不同。這對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有影響。

以下是一些農(nóng)業(yè)和環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)用例：

07 能源產(chǎn)業(yè)

能源細(xì)分市場包括從生產(chǎn)源頭到消費(fèi)者的能源監(jiān)測。大量的研究和開發(fā)集中在消費(fèi)能源和商業(yè)能源監(jiān)測器上，例如智能電表，它通過低功耗和遠(yuǎn)距離協(xié)議進(jìn)行通信，可以顯示實(shí)時(shí)能源使用情況。

許多能源生產(chǎn)設(shè)施處于偏遠(yuǎn)或惡劣的環(huán)境中，如沙漠地區(qū)的太陽能電池板、陡峭山坡上的風(fēng)力發(fā)電場以及核反應(yīng)堆的危險(xiǎn)設(shè)施。此外，數(shù)據(jù)可能需要實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)響應(yīng)，以便對能源生產(chǎn)控制系統(tǒng)（很像制造系統(tǒng)）做出重要的反應(yīng)。這可能會(huì)影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在這一類別中的部署方式。

以下是能源物聯(lián)網(wǎng)的一些用例：

08 智慧城市

“智慧城市”是一個(gè)短語，用來指互聯(lián)和智能化的基礎(chǔ)設(shè)施、市民和車輛。智能城市是增長最快的細(xì)分市場之一，尤其是在考慮稅收收入時(shí)，其成本收益比相當(dāng)可觀。智慧城市還通過安全、安保和易用性來影響市民的生活。

例如，巴塞羅那等多個(gè)城市已經(jīng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前容量以及自上次取貨以來的時(shí)間監(jiān)控垃圾容器和垃圾箱。這提高了垃圾收集效率，使城市在運(yùn)輸垃圾時(shí)使用的資源和稅收更少，同時(shí)也消除了腐爛有機(jī)物的潛在氣味和臭味。

智能城市部署的一個(gè)特點(diǎn)可能是使用的傳感器數(shù)量。例如，在紐約的每個(gè)街角安裝一個(gè)智能攝像頭需要3000多個(gè)攝像頭。像巴塞羅那這樣的城市將部署近100萬個(gè)環(huán)境傳感器來監(jiān)測電力使用、溫度、環(huán)境條件、空氣質(zhì)量、噪聲水平和停車位。

與流媒體視頻攝像機(jī)相比，這些設(shè)備的帶寬需求較低，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量與紐約的監(jiān)控?cái)z像機(jī)幾乎相同。在構(gòu)建正確的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)時(shí)，需要考慮數(shù)量和帶寬的這些特性。

智慧城市還會(huì)受到政府命令和法規(guī)的影響，因此與政府細(xì)分市場有聯(lián)系。

智慧城市物聯(lián)網(wǎng)的一些用例如下：

09 軍事和政府

美國市政府、州政府和聯(lián)邦政府以及軍方對物聯(lián)網(wǎng)的部署都有濃厚的興趣。以加州的行政命令B-30-15為例，該命令指出，到2030年，影響全球變暖的溫室氣體排放量將比1990年的水平低40%。

為了實(shí)現(xiàn)這樣的激進(jìn)目標(biāo)，環(huán)境監(jiān)測器、能源傳感系統(tǒng)和機(jī)器智能將需要發(fā)揮作用，在保持加州經(jīng)濟(jì)活力的同時(shí)，按需改變能源模式。其他案例包括物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)場等項(xiàng)目，目的是提高對敵人的反擊效率。當(dāng)我們考慮對公路和橋梁等政府基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測時(shí)，這一細(xì)分市場也屬于智慧城市范疇。

政府在物聯(lián)網(wǎng)中的角色是以標(biāo)準(zhǔn)化、頻譜分配和法規(guī)的形式發(fā)揮作用。例如，頻譜資源如何被劃分、保護(hù)和分配給不同的供應(yīng)商。

以下是一些軍事和政府物聯(lián)網(wǎng)用例：

關(guān)于作者：佩里·利（Perry Lea）是一位具有30年豐富經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家。他在惠普公司工作了20多年，擔(dān)任LaserJet業(yè)務(wù)的首席架構(gòu)師和杰出技術(shù)專家。隨后，他在Micron擔(dān)任技術(shù)專家和戰(zhàn)略總監(jiān)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于研究利用內(nèi)存處理進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺的新興計(jì)算領(lǐng)域。之后，他又在Cradlepoint領(lǐng)導(dǎo)公司轉(zhuǎn)向5G和物聯(lián)網(wǎng)。

本文摘編自《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與邊緣計(jì)算》（原書第2版），經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

延伸閱讀《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與邊緣計(jì)算》

推薦語：本書涵蓋從物聯(lián)網(wǎng)傳感器到云計(jì)算的整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案譜系。首先研究現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)、通信理論，然后探討局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中基于IP的通信，包括80211ah、5G LTE蜂窩、Sigfox和LoRaWAN，講解邊緣計(jì)算、路由和網(wǎng)關(guān)及其在霧計(jì)算中的作用，以及MQTT 50和CoAP的消息傳遞協(xié)議。內(nèi)容豐富，涵蓋了從物聯(lián)網(wǎng)傳感器到云計(jì)算的整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案譜系。