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破解物联网落地困境-阿里云硬件接入最佳实践

[日期:2018-05-14] 来源:博客园-叶帆工作室   作者: [字体: ]

  《剑指物联》第五期中,阿里云IoT事业部总经理库伟曾提到物联网实施过程中的困境。比如在设备厂家层面:智能设备连接不稳定,网络安全差;在ISV层面:标准不统一,集成各厂商的智能设备成本高,时间长,数据打通困难;在用户层面:与产品捆绑紧密,提供的服务割裂,导致用户体验不佳。

  库总是从整个物联网全网链路来看物联网实施困境的,而我的着眼点仅是其中一个环节,就是硬件接入层这个环节,由于涉及到软硬结合,对不少人来时是一个难点。此外我们基于设备接入这层,也归纳出如下三条物联网落地难点:

  (1) 需要接入的传感器及智能仪表种类繁多,物理通信链路多样,通信协议也各有不同

  (2) 施工现场条件各异,有线和无线部署差异大,设备安装、调试难

  (3) 设备安装量大,又缺少专门的维护队伍,长期稳定性、可靠性难保证

  在这里我先讲讲物联网硬件层需要接入的一些传感器、设备、通信链路及通信协议,向不太了解硬件的网友扫扫盲,然后再介绍一下我们的方案是如何实现“一分钟设备快速接入网关,一分钟网关快速上云”的。

  1 物联网领域常见智能硬件

  1.1 传感器

  如图所列仅是众多传感器中的沧海一粟。并且同样是温湿度传感器,接口可以是多种多样,比如可以I2C接口,也可以是单总线,还可以是RS232或RS485。接口不同,协议也各异。

  1.2 智能设备

  同样和传感器一样,上图所列的智能设备也是众多智能设备中的九牛一毛。并且比如智能水表,接口也依然多种多样,比如是Mbus或RS485接口,协议有可能是Modbus或118协议。

  1.3 控制设备/智能网关

  控制设备和智能网关虽然没有传感器和智能仪表那么海量,但还是非常众多,其通信接口,编程语言,操作系统等等都有所差异。

  2 物联网领域常见通信类型

  2.1有线通信

  l RS485:两线制,差分信号传输,半双工通信,最大通信距离千米以上。

  l RS232:三线制,全双工通信,一般通信距离小于 10 米。

  l 以太网:4 线或 8 线,多主通信,高性能。普通网线通信距离 100 米以内。

  l CAN:两线制,多主通信,高性能,高可靠性,每次最多传输 8 个字节的数据。通信距离千米以上。

  l M-Bus:两线制,半双工,专为远程抄表系统专门设计的总线,传送速度为 300 至 9600 Baud。

  l 单总线:单线制,主设备口可以直接驱动200米范围的从设备,传输速率一般为16.3Kbit/s,最大可达142 Kbit/s。

  l 电力载波:利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。

  2.2无线通信

  l Wifi:2.4G/5G射频频段,民用最常用无线通信方式,通信距离100米内。

  l 蓝牙:2.4G短距离无线通信,常见的通信距离为10米左右。

  l Zigbee:低功耗无线通信协议,低功率一般传输距离 100 米以内,高功率的 1000 米左右。

  l LoRa:基于扩频技术的超远距离无线传输方案。低功耗,多节点。通信距离 1千米~8千米。

  l GPRS:通用分组无线服务技术,广域网通信。

  l NB-IOT:IoT 领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,亦称低功耗广域网(LPWA)。

  l 433M/470M无线通信:小功率经济型无线数传通信,通信距离一般1000米左右。

  l 数字无线电台:借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台,免申请频段为2.4G,通信波特率为9600~19200Bps,根据功率不同,一般通信距离1千米~15千米

  2.3芯片级通信

  l TTL串口:三线制,和RS232或RS485一样,都属于串行通信,只是为TTL电平,大部分是芯片对芯片,近距离通信。

  l SPI:四线制,高速全双工,同步的通信总线。

  l I2C:两线制,由Philips公司开发的一种简单、双向同步串行总线。

  l SDIO:主要为SD卡模块定义的外设接口,有些wifi模块也采用了SDIO接口和MCU通信。

  2.4其他通信方式

  l 模拟量信号输入:0~20mA/0~5V/0~20V

  l 开关量信号输入:0~24V

  l 继电器信号输出: 通断,干接点

  3 物联网领域常见通信协议

  l Modbus RTU:施耐德公司制定的基于 RS485/RS232 的串行通信总线协议。

  l Modbus TCP: 施耐德公司制定的基于以太网的通信总线协议。

  l CJ/T188-2004:中国城镇建设行业标准,主要在抄表系统中常用。

  l DL/T645-2007:国家电力行业电测量标准化技术委员会颁布的多功能电能表通信协议。

  l TCP/IP:网络通讯协议,是Internet最基本的协议,由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成(TCP是有连接的协议,UDP是无连接的协议)。

  l Http:超文本传输协议,所有的WWW文件都必须遵守这个标准。协议构建在TCP之上。

  l MQTT:消息队列遥测传输,IBM开发的一个即时通讯协议。目前已经成为主流物联网平台默认使用的通信协议。

  l CoAP:可以理解为精简的Http协议,主要在资源受限的物联网设备上使用。

  l PPI:西门子公司专为 S7-200 系列 PLC 开发的通讯协议。

  l Profibus:是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。

  l CANopen:是一种架构在 CAN 上的高层通信协协议,包括通信子协议及设备子协议。

  l KNX :是被正式批准的住宅和楼宇控制领域的开放式国际标准。

  l Alink:阿里巴巴推出的一种物联网通信协议。

  4 困境破解之物联网设备端平台

  以上我们可以知道,传感器、智能仪表和控制设备众多,并且接口各异,通信协议也不一样,如果分别开发接入,那工作量将是巨大的,并且由于涉及到代码开发,由于没有经过测试,其稳定可靠性也是很难保证的。

  我们的思路是借鉴工控领域的做法,引入了“组态软件”的概念,只是我们把组态软件做小,做成了芯片级的组态。可以以最小的代价,最方便的方式,仅通过配置的方式就可以轻松接入各种传感器和设备。

  4.1 平台构成

  下可以对接各种接口和协议的传感器和设备(通过各种驱动程序实现),上可以通过各种策略,对接各种公有和私有的云平台,并且还可以写各种控制逻辑(通过各种策略实现)。并且具备远程升级和远程调试的能力。

  4.2 深度硬件整合能力

  考虑到物联网垂直行业的特点,我们还可以做到各种产品的深度整合,这样不仅硬件成本大大降低,实施部署的成本也同时降低了。

  针对养殖行业做的九合一智能设备。

  针对水处理行业做的水质综合检测仪

  4.3 物联网数据组态(YFIOs)

  轻量级组态软件,可以在一个单芯片中运行。支持远程升级,远程调试。支持驱动、策略用户二次开发

  我们已经实现常用设备的驱动。

  4.4 设备快速接入

  4.5 平台优势

  l 最轻量级组态软件

  n 单芯片运行支持,免编程或少编程就可以实现大部分物联网应用场景构建,同时支持远程升级,远程调试。

  l 组态粒度最小

  n 可基于I2C、SPI和单总线等芯片级接口进行项目组态构建

  l 类似产品功耗最低

  n 基于ARM Cortex-M芯片构建物联网组态系统,在保证强大功能基础上,功耗可以做到最低。

  l 直接入云

  n 目前网关已通过微软Azure认证,也支持阿里云、百度云等物联网云平台的直接接入

  l 十多年技术积淀

  n 2004起开始构建工控组态相关项目,历经WinCE版,Windows版,.NET Micro Framework版和Html5版。

  5 困境破解之物联网云端平台

  5.1 物联网云平台的优势

  l 传统物联网类项目最容易费时间的地方在于通信环节 -- 通用IoT平台专业开发支持、项目多、迭代快,更容易做到稳定可靠。

  l 传统物联网类项目最容易费时间的地方在于多方对接 -- 通用IoT平台标准统一,接口统一,有专门的工具对通信过程评测,减少对接内耗。

  l 传统物联网类项目最容易费时间的地方在于通信方式多样 -- 通用IoT平台涵盖通信方式多,并且阿里云IoT面向智慧城市构建,更专业,更多样,更接地气,适合更多的接入场景。

  5.2 阿里云物联网平台

  l 物联网开发套件

  u 基础版

  u 高级版

  u 边缘计算版

  l 物联网一站式开发平台

  u 通用版

  u 地方版(飞凤平台)

  l 阿里云嵌入式OS

  u AliOS-Things

  5.3 阿里云一站式开发平台

  l   设备开发、接入、调试、固件升级 -- 一站式

  l   Web、移动开发、市场服务 -- 一站式

  5.4 Alink协议简介

  Alink是阿里云物联网平台一个端到云的基于Json格式的通信协议(MQTT & HTTPS)

  5.5 云端设备创建&调试

  云端可以对设备进行建模,添加各种属性或件。

  如果对接成功,还可以很直观的看到相关的实时数据、历史数据和曲线。

  5.6 网关快速上云

  填写对应的网关和设备三元组,勾选要上传的数据,即可实现网关数据到云。

  6 已对接阿里云的项目

  l   物联网消防系统监控(基础版)

  l   新希望猪场水表监控(高级版)

  l   公寓房物联网远程监控(高级版)

  附:《剑指物联》第五期:对话这家中国巨头物联网掌舵人,物联网时代进入倒计时。链接:

  https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5MDA5MTY2MA==&mid=2650156243&idx=1&sn=d962aca236448ad567f60898533a9ca6&chksm=be489c30893f152627ba84642b31c64c805805c697c450b8dfadb3bba0c96703c55b36113411&mpshare=1&scene=1&srcid=0512WBLmcWjSOPm2I85Ugt64#rd

  附:微信号:yefanqiu (加入请注明:物联网交流)

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