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如何解决物联网应用难题?
浏览:1403  来源:OFweek  发布人:工业物联网  2015/09/02/9:1
2003年,全球仅有5亿多台联网设备,人均只有0.08台,也就是说平均每人只有0.02台设备可连接至互联网。2010年这个数字上升至125亿,平均每人几乎拥有6台联网设备。2015年联网“设备”的规模预计将进一步上升到250亿台,到2020年底将达到500亿台。

  这种增长趋势还将延续。随着全新纳米连接技术,也即所谓的“智能微尘”的发展, 这个数字将以每日数千亿的速度进一步增长。随着联网设备数量的增长,设备之间的通信也变得越来越智能。例如,智能消防安全系统若是与智能恒温器连接就会变得更加有用。若进一步将恒温器与用户的智能手机进行连接,系统的智能度就会提升到一个全新的级别。因此,网络中添加的联网设备越多,越有利于它们将海量无用“数据”转化为切实有用的信息。

  这就是物联网的根本目标所在:为日常物品构建自我维持型网络,从而提供远超单个物品功能的集体价值。正是基于这一点,无论是政府部门、企业组织、学术团体还是业余爱好者们都在广泛部署物联网。物联网已遍及从国际物联网标准到定制智能传感器开发等电子领域的各个层面。

  然而,尽管全球广泛投身物联网应用开发,要实现其普遍应用仍需解决各种复杂难题,其中既包括通用协议与标准等技术问题,也有对个人隐私等较抽象概念的影响。只有业界真正应对这些挑战,物联网才能获得发展,否则将永远原地踏步。

  1. 采用通用标准

  虽然业界已经在物联网的标准化方面取得了不菲的成绩,但其安全性、隐私性,尤其是架构等方面仍需进行大量改进。据金融时报刊载的一篇最新报告显示,科技厂商与电信企业展开了一场“殊死搏斗”,争相抢占物联网市场。当各行业领先企业试图进一步细化其在物联网市场的定位时,业内却出现了几项竞争性标准,包括谷歌“物理网络”、工业互联网联盟(IIC)、开放互联联盟(OIC)及Thread,这是一种由谷歌、三星、ARM及飞思卡尔联合推出的新型IP无线网络协议。

  虽然这些机构都致力于推动物联网的普及,但物联网标准化进程的不足仍然让人担忧。在制定通用标准之前,物联网有可能变成另一个依靠大型IT企业特别监管的异步技术领域。

  2. 采用IPv6

  每一台连接互联网的设备都需要有各自独特的数字标签,即IP地址。当前,大多数IP地址都是在第四代互联网协议,也就是IPv4上运行。IPv4采用32位系统,总计可提供43亿个唯一IP地址,这个数量的IP地址在2010年2月就已分配完毕。随着每天不断有新设备接入互联网,IPv4现已严重超载。因此,只有借助网络地址转换技术(NAT)才能使更多设备连接至互联网,这种技术可将一个IP地址复用转换成另一个从而提供更多可用的IP地址空间。

  尽管事实证明NAT确实可以有效地避免IP地址耗尽,但它却无法满足物联网发展的需求。取而代之的是,网络运营商开始积极推广IPv6的普及,长度为128位的新协议,可提供多达3.4×1038个设备地址。该新协议不仅可为物联网的发展(包括‘智能微尘’应用)提供充足的IP地址,还可提供增强的安全性及网络管理功能。

  尽管IPv6具备诸多优势,但据谷歌2014年12月发布的一份报告显示,全球94%以上的互联网流量仍然由IPv4发送。物联网技术要取得成功,IPv6的普及率势必要进一步提升。

  3. 无线协议选择

  除了缺失标准化架构,设计工程师还面临选择难题,他们需要从大量的连接技术当中挑选出最适合的方案应用到物联网设备当中。

  其中几项代表性连接技术包括WiFi、蓝牙、蓝牙低功耗、ANT、Zigbee及RF4CE。若要挑选到最优无线技术,设计师必须综合考虑诸多因素,例如:是否需要专用解决方案、什么样的频段符合所采用的行业标准、设备所需功率是多少等。无线技术的选择将影响设备之间的通信方式并可能从根本上限制设备在物联网中的应用。

  是选择开发专用解决方案还是直接采用蓝牙等标准化技术,二者之间的权衡归根结底在于所需的基本功能。高度专业化的功能可能需要开发专有实现方案,这就会直接限制OEM供应商提供的可用产品选择;但同时它也有有利的一面,由于专用无线平台可能是专门针对应用而定制开发,这有利于缩小软件的占位空间。

  正如所料,Wi-Fi目前主导着整个无线连接世界。然而,Wi-Fi技术的高功耗特性使得它并不适合物联网应用。许多开发人员正积极尝试使用低功耗蓝牙技术及Dynastream‘ANT’协议,二者均可为短程无线通信提供低成本与超低功耗解决方案,是可穿戴设备与物联网设备的理想选择。

  4.提供电源

  放弃使用Wi-Fi为物联网的应用带来了另一个问题:如何才能为大量便携式互联网连接设备提供充足电源?为了充分发挥物联网的潜能,接入网络的各种设备需要逐渐实现自我维持功能。随着物联网的迅速扩展,它所连接的嵌入式传感器即使不到数十亿,也有数百万件,这样一来,定期更换每台设备的电池几乎不太现实,因此我们要使每件传感器都能够利用其周边环境中的各种当地元素,如震动、光、气流等进行自主发电。

  大多数情况下,此类发电都是通过采用纳米发电机技术实现的。这些灵活的自供电能源采集器可用于将动能(来自震动能与机械能)转化为电能,且无需安装电子设备所需的外部电路及电池。虽然纳米发电机初期发展比较缓慢,但其近期发展却是有目共睹,其能源效率增长近40倍。通过EnOcean与 Perpetuum等业界企业的努力,纳米发电技术现已可以将微弱的震动甚至人体走路的踩踏等各种能量转化为电能。

  尽管如此,我们仍需克服许多难题才能最终真正解决能源消耗的问题。由于全球预期将迎来500亿台连接设备,我们迫切需要开发灵活的可再生能源。

  5. 隐私性

  物联网对个人权利和个人隐私的影响是一直备受关注的话题之一。由于物联网可能会造成入侵式营销及企业监控,曾经激起广泛大众对物联网的极度不认可与不信任。因此,若业界想广泛推动消费级应用,物联网设计师就必须确保维护用户的个人隐私,从根本上说也就是确保不辜负用户的信任。

  从设计的角度来看,实现这一目标的最佳方式是确保物联网产品能够真正为大众的生活带来有形价值。只要设计出切实有用的应用产品而非只是制造新奇噱头,物联网行业便可为终端用户提供真正实用的产品。

  所有新技术在被引入之初,媒体总是先对其隐私问题提出质疑,这个问题最终必然受到公众的关注。无论是智能手机还是卫星导航系统,当初都存在这个现象。然而最终,这些技术都获得了迅猛发展,这是因为它们不仅可以提供切实的好处,还竭力最大限度地保护终端用户的安全和隐私。

  因此,物联网设备数据采集应该做到尽可能透明,并应采用适当的管控和安全措施以保护用户的数据。 这些管控措施的基本内容最初在2009年欧洲委员会的一项报告中进行过概述,该报告邀请了联盟成员国对互联网连接设备的设计与运行提供指导意见。这些指导方针突出强调了对物联网设备的几点要求,包括:能够主动防御攻击、使用经认证数据、对收集的数据实施适当的访问控制、对客户端隐私提供高级别保护等。物联网专业设计师及业余爱好者在尝试开发全新连接设备时,必须充分考虑所有这些特性。

  要想在2015年确实实现物联网的普遍应用,必须解决当前面临的一系列难题,本文只是提及其中的几项。虽然其中的一些难题将由政府部门和行业组织负责解决,但全球设计师和业余爱好者已经遇到了许多问题。这也是物联网在设计社区如此令人关注的原因,他们不仅期待成功背后的巨大利益,也乐于享受它带来的诸多挑战。
 
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