圖1. 傳感器至云信號鏈

 

檢測/測量器件將模擬信號轉換為數字數據流。獲取、處理、傳輸、分析此數字格式之后，可以根據結果做出決策。將光、聲、壓力和溫度等物理現象轉換為數字數據已是很陳舊的觀(guān)念。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，云模式的使用和計算建模（由云及其大規模存儲和處理能力實(shí)現）的威力已經(jīng)改變了基于數字數據做出決策的方式。諸如溫度測量之類(lèi)的傳統檢測技術(shù)已被充分理解運用，其既可用作一種獨立測量，也可成為其他檢測的一個(gè)要素。例如在電化學(xué)檢測中，溫度會(huì )影響測量結果，需要予以處理。另外也出現了一些令人激動(dòng)的新型傳感器，它們會(huì )對物聯(lián)網(wǎng)世界產(chǎn)生巨大影響。

 

其中一個(gè)例子是MEMS加速度計。這些傳感器構成多軸振動(dòng)檢測的基礎，支持無(wú)人機、便攜式游戲設備或相機等系統保持穩定。健康跟蹤設備也使用振動(dòng)來(lái)檢測個(gè)人健康?？纱┐魇浇】岛徒∩韨鞲衅餍枰谰瞄_(kāi)機，提供高精度身體運動(dòng)檢測以便進(jìn)行適當的分析（例如跑步、騎自行車(chē)或步行），并將實(shí)時(shí)數據傳輸給各種便攜式健康和健身應用。

 

以加速度計為例，在物聯(lián)網(wǎng)設備中我們應該注意什么？更精確的測量有何價(jià)值？要回答這些問(wèn)題，首先可考慮低功耗。ADI公司的ADXL362是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計，輸出數據速率為100 Hz時(shí)功耗低于2 μA，在運動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA（MEMS加速度計測量靜態(tài)或動(dòng)態(tài)加速力）。這樣可以延長(cháng)電池使用時(shí)間。其次，考慮帶寬和分辨率。ADXL362不會(huì )因為欠采樣而混疊輸入信號；它采用全數據速率對傳感器的整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣，噪聲很低。因此，它可以測量非常小的信號。噪聲電平要求低于A(yíng)DXL362正常值550 μg/√Hz的應用，可以選擇兩種低噪聲模式（典型值低至175 μg/√Hz）的任一種，電源電流增加極小。

 

 

圖2. 業(yè)界功耗最低的MEMS加速度計

 

更高質(zhì)量的數據很重要：

 

精密測量有何價(jià)值，為什么關(guān)系重大？低噪聲、低漂移器件能最大限度地提高傳感器能力，實(shí)現更寬的動(dòng)態(tài)范圍，從而硬件能夠測量更小、更多種類(lèi)的信號。這使得終端系統更精確、更靈敏、更具差異化。利用更高的精度可以開(kāi)發(fā)出能夠同時(shí)滿(mǎn)足現在和未來(lái)測量需求的平臺硬件，并更好地支持防護頻帶的發(fā)展。

 

因此，同樣的硬件可以用于好幾代產(chǎn)品，擁有成本得以降低，并且可以免除硬件替換的麻煩和高昂成本。這對物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)尤其如此，因為傳感器及相關(guān)硬件的數量預計會(huì )爆炸式增長(cháng)。市場(chǎng)分析公司Gartner表示：到2020年將有超過(guò)260億的互聯(lián)設備，連接之多宛如天文數字。此外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)連接因便利性而廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)信號鏈，位于難以接近的地方或工廠(chǎng)等惡劣環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)單元將越來(lái)越多。最后一個(gè)考慮因素是政府對氣體排放、用電和環(huán)境控制等多個(gè)方面的監管要求越來(lái)越嚴格?？赡艿男聴l例和不斷變化的要求將需要現有硬件實(shí)現更精確的測量，更好的測量系統可提供超前思維來(lái)幫助滿(mǎn)足這些要求。在擁擠不堪且競爭激烈的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)上，能否滿(mǎn)足未來(lái)的新測量需求事關(guān)企業(yè)的存亡。

 

因此，穩定精密的硬件測量平臺的重要性再怎么強調也不為過(guò)。建立平臺之后，便可通過(guò)軟件實(shí)現系統差異化。在激烈競爭的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，這些能力是企業(yè)脫穎而出的重要條件。此外，系統升級會(huì )更輕松、更簡(jiǎn)單，并且可以實(shí)時(shí)完成。

 

合法數據至關(guān)重要

 

為了確保物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統中維護的數據正當合法，有許多因素需要考慮。物聯(lián)網(wǎng)可以解釋為從“事物”一直到云的許多層。各層都可能有一個(gè)新的外部連接，并存在相關(guān)的安全風(fēng)險。還可能有一條返回路徑，通過(guò)各層返回到“事物”。它不止是與設備、網(wǎng)絡(luò )或客戶(hù)端有關(guān)，還涉及到許多表面區域，每個(gè)區域都可能互連。例如，從設備到云或從設備經(jīng)網(wǎng)關(guān)到云。合法性的目標是確保每一層都安全。隨著(zhù)連接的事物、云和網(wǎng)關(guān)的增多，容易產(chǎn)生安全漏洞的地方也會(huì )增加。

 

圖3.

 

OWASP（開(kāi)放式Web應用安全項目）確定的物聯(lián)網(wǎng)10大安全漏洞如下：

 

●  不安全的Web接口（XSS、注入、網(wǎng)絡(luò )釣魚(yú)）

●  不適當的身份驗證/授權

●  不安全的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)（SSH、SFTP、Telnet）

●  缺少傳輸加密

●  隱私問(wèn)題/關(guān)切

●  不安全的云接口

●  不安全的移動(dòng)接口

●  不適當的安全配置

●  不安全的軟件/固件

●  糟糕的物理安全

 

在云中，安全威脅可能表現為數據外泄、意外的數據丟失或數據失竊。毫無(wú)疑問(wèn)，云服務(wù)會(huì )容納多個(gè)客戶(hù)（多租戶(hù)），故而需要確保安全區隔各個(gè)客戶(hù)。這就帶來(lái)其他需要考慮的問(wèn)題。本地保持在線(xiàn)或發(fā)生數據中斷時(shí)，系統的容量是多少？多個(gè)位置如何共享數據并確保安全？采用什么安全標準？能否備份數據，尤其是數據量因為物聯(lián)網(wǎng)而爆炸式增長(cháng)時(shí)？應用程序接口(API)將通過(guò)同一云服務(wù)開(kāi)發(fā)并存儲用于多個(gè)客戶(hù)，因此，如何執行身份驗證和授權（以及如何保護管理員等特權用戶(hù)）非常重要。

 

審查和評價(jià)云服務(wù)提供商有許多方法。一種機制是通過(guò)公開(kāi)的安全指南。業(yè)界在持續改善這些全球通用的云安全指南，并且越來(lái)越要求服務(wù)提供商實(shí)現相關(guān)認證以遵守這些指南。

 

但是，安全關(guān)切不限于云。在每一級堆棧，都有相關(guān)的威脅和反制技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)設備和網(wǎng)關(guān)可能被偷竊或篡改，數據可能被篡改或被非授權用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)。對此，篡改檢測器、加密或設備注冊可用作反制措施。軟件或固件可能成為網(wǎng)絡(luò )釣魚(yú)、惡意軟件攻擊或篡改的目標。因此，可信操作系統、將安全貫注到開(kāi)發(fā)生命周期中以及漏洞測試便非常重要。軟件部署到現場(chǎng)之后，通過(guò)一個(gè)安全機制更新軟件也很重要。如果采用不安全的通道傳輸數據，篡改、竊聽(tīng)或攻擊就會(huì )有可乘之機。因此，傳輸通道加密、端口/接口管理以及連續主動(dòng)監測很重要。在數據隱私方面，必須讓客戶(hù)高度放心。對隱私權再小的侵犯，也可能令公司的品牌和聲譽(yù)毀之一旦。因此，利用數據加密技術(shù)等良好的做法來(lái)盡量減少或弄亂存儲和保留的數據非常重要。全球隱私數據策略在持續發(fā)展和變化。在意見(jiàn)一致的前提下，通過(guò)一個(gè)靈活的系統來(lái)處理世界不同地區的監管差異是很重要的。在應用程序層次，不僅要通過(guò)用戶(hù)身份驗證和授權來(lái)阻止未授權訪(fǎng)問(wèn)，而且要持續測試代碼有無(wú)漏洞。還應考慮帶外保護，例如WAF（Web應用程序防火墻），以及在受到攻擊時(shí)隔離并封鎖帳戶(hù)的能力。上述所有反制措施都可以應用，但安全性必須融入生態(tài)系統中，而不是在最后進(jìn)行改造。

 

智能互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統

 

物聯(lián)網(wǎng)信號鏈的任一級都可以增加智能（或數據處理）。例如在生命體征監測(VSM)中，當體溫達到危險水平時(shí)，傳感器端可直接發(fā)出報警，而無(wú)需將體溫數據發(fā)送至云端。溫度數據也可以用在其他生物醫學(xué)計算中，因此，它也可以用于網(wǎng)關(guān)或云中。

 

在節點(diǎn)進(jìn)行信號處理有多個(gè)好處，包括支持緊湊的集成反饋環(huán)路等。緊密耦合傳感器和執行器的好處是可以立即做出決策。例如，振動(dòng)達到預定水平時(shí)，就會(huì )立即關(guān)停機器或電機；溫室中的溫度上升到一定程度時(shí)，就會(huì )驅動(dòng)電機打開(kāi)窗戶(hù)。對節點(diǎn)的要求是小尺寸和超低功耗（從而延長(cháng)電池壽命），ADI公司的ADuCM360等集成模擬微控制器集ARM® M3-MCU和24位模數轉換器于一體，可以滿(mǎn)足這些需求。未來(lái)，可利用采集能量從而實(shí)現能源獨立的器件將是成功的關(guān)鍵。節點(diǎn)上的數字處理受空間和功耗的限制。還有一點(diǎn)是難以聚合其它來(lái)源的數據。節點(diǎn)的低功耗會(huì )限制數據傳輸范圍和有效載荷。通過(guò)節點(diǎn)管理來(lái)監視狀態(tài)和執行更新會(huì )很麻煩，同時(shí)網(wǎng)絡(luò )邊緣的硬件、軟件和數據也存在安全風(fēng)險。

 

基于網(wǎng)關(guān)的信號處理采用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備，其一端具有短程無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)鏈路，另一端具有LAN或WAN鏈路。它與路由器類(lèi)似，也可以是傳感器集線(xiàn)器。除了WSN網(wǎng)絡(luò )管理和安全功能以外，它還常用作本地處理和分析的計算資源（通常稱(chēng)為邊緣計算）?；诰W(wǎng)關(guān)處理的優(yōu)勢是可以使用大量潛在處理資源，并且能夠聚合其他傳感器/來(lái)源的數據。因此，在網(wǎng)絡(luò )邊緣附近運行分析的能力，加上利用現成的開(kāi)發(fā)工具所開(kāi)發(fā)的分析技術(shù)，將有助于實(shí)現對IT部門(mén)更友好的解決方案。它有能力支持全堆棧OS，并使用帶標準遠程管理工具的LAN/WAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)提供更好的安全性（不過(guò)物理安全可能存在風(fēng)險）。另一方面，它通常不屬于低功耗類(lèi)，需要有線(xiàn)電源，而且數據存儲有限。

 

 

圖4. 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)示例

 

云連接的主要優(yōu)勢之一是能夠存儲、檢索和搜索大量數據記錄，這些數據記錄可以包含歷史數據和來(lái)自許多設備的數據。對于基于云的信號處理，數據存儲在很多情況下與大數據處理和分析密切相關(guān)。僅僅存儲數據是不夠的?？焖僭L(fǎng)問(wèn)和分析數據的需求促成了許多新方法的產(chǎn)生，利用簡(jiǎn)單的編程模型和開(kāi)源框架，大數據集可以在多個(gè)計算機集群上進(jìn)行分布式處理?；谠铺幚淼娘@著(zhù)優(yōu)勢是有大量?jì)戎冒踩缘臐撛谟嬎愫痛鎯Y源可用。開(kāi)源和商業(yè)開(kāi)發(fā)工具日益增多，終端解決方案可以輕松擴展。

 

現在認為軟件即服務(wù)(SaaS)是云計算的關(guān)鍵貢獻，另外還有基礎設施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)、桌面即服務(wù)(DaaS)、移動(dòng)后端即服務(wù)(BaaS)和信息技術(shù)管理即服務(wù)(ITMaaS)。所有這些共同提供了廣泛的選擇來(lái)適應終端系統需求。對于基于云的處理，服務(wù)器托管是必需的（可在本地或遠程）。存儲和服務(wù)有相關(guān)成本，通信和大數據存儲可能會(huì )很昂貴。還有其他一些缺點(diǎn)，比如互聯(lián)網(wǎng)通信渠道的延遲和吞吐量可能難以預測。

 

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)系統發(fā)展，智能系統分割也會(huì )發(fā)展，節點(diǎn)的智能程度會(huì )提高。節點(diǎn)從不生成智慧和知識，也即數據在到達云端之前仍只是單純的數據；而轉換和發(fā)送所有數據需要消耗大量電力和帶寬。智能檢測是指節點(diǎn)將數據轉換為信息，從而降低總功耗，減少延遲和帶寬浪費。簡(jiǎn)言之，它支持從反應型物聯(lián)網(wǎng)到預測型和實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的轉變。

 

要實(shí)現卓越的物聯(lián)網(wǎng)設計，需克服無(wú)數挑戰，包括良好的測量、安全性以及知道應在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)路徑中的何處高效使用智能。此外，完整物聯(lián)網(wǎng)解決方案會(huì )涉及許多供應商，包括傳感器、網(wǎng)關(guān)、軟件和存儲提供商。ADI公司既是物聯(lián)網(wǎng)供應商，也是物聯(lián)網(wǎng)客戶(hù)，我們利用自己的ADXL362加速度計（還有其他測量溫度和濕度的傳感器）監控利默里克工廠(chǎng)的制造設備。通過(guò)測量機器或電機振動(dòng)模式的變化，可以在系統停機之前檢測到故障，防患于未然。由此帶來(lái)的好處是可以實(shí)行預測性維護程序，提高工廠(chǎng)效率和產(chǎn)能。ADI公司的物聯(lián)網(wǎng)方案為復雜制造工藝中的多臺設備（新舊并存且來(lái)自多家供應商）提供全面的監控和分析系統。該系統實(shí)時(shí)跟蹤并報告生產(chǎn)效率，提醒技術(shù)員注意可能出現的問(wèn)題，避免設備停機。晶圓良品率因此得到提高，供應更穩定，有助于我們的客戶(hù)做出更好的規劃。這個(gè)例子展示了物聯(lián)網(wǎng)系統的真正價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)系統的復雜性和范圍允許以很多方式進(jìn)行信號處理。將物聯(lián)網(wǎng)系統中的處理從云端轉移到邊緣可提升傳感器的智能程度，讓信息提取更接近來(lái)源。網(wǎng)絡(luò )邊緣節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和云中都有處理資源可用，系統設計人員可以?xún)?yōu)化解決方案的邊緣節點(diǎn)功耗、數據帶寬、計算和存儲要求。

 

 

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