本文整理自PTR集團首席科學家Mike Anderson的報告《TECHNICAL TRADE-OFFS OF IOT PLATFORMS》

PTR集團簡介

• PTR集團成立於2000年
• 業務領域包括：
  • 機器人（NASA空間機械臂）
  • 飛行軟體（超過35個在軌執行的衛星）
  • 攻擊型或防禦型的網路空間戰

給你留下想象空間 J

• RTOS/Linux/裸機上的嵌入式軟體移植
• IoT系統架構和部署

Mike Anderson簡介

• 在嵌入式領域超過39年的工作經驗
• 開發部分VxWorks
• Linux/Android核心講師
• FRC #116 FIRST Robotics Team導師
• 經常在以下場合演講：
  • 嵌入式Linux大會 Embedded Linux Conference
  • 嵌入式系統大會 Embedded Systems Conference
  • 美國中情局新技術大會 CIA Emerging Technology Conference
  • 其它

討論內容

• 平臺到底是什麼？
• 架構
• 重量級玩家
• IoT和IIoT的區別
• 如何賺到錢？
• 總結

什麼是Internet of Things？

• Thing是能夠連線網路的任何裝置
  • 電源管理、無線通訊和CPU架構方面的進步能夠將智慧嵌入"啞"裝置
• Thing產生的資料需要到某處使用
  • 在本地使用，如恆溫器
  • 邊界閘道器收集資料並預處理，以便轉發到伺服器
    • 霧模型 fog model
  • 直接傳送至伺服器
    • 雲模型 cloud model
• 雲平臺提供指令、控制和資料分析

IoT核心

• 究其核心，IoT只是一種訪問感測器資料並基於資料控制裝置的方式
  • 感測器的數量和型別及其連線是差異化的因素
• 對資料的處理也是差異化的因素
  • 個人消費，如健身手環
    • 機器-人
  • 監控，如遙測/SCADA
    • 機器-機器
• 預測到2020年將有3萬億美元的市場

什麼是平臺？

• 取決於討論的物件
  • 帶有感測器的硬體
  • 針對感測器技術的作業系統
  • 通訊協議/正規化
  • 連線感測器到雲端並提供資料分析的端到端系統
• 從某種角度講，它包括上述所有內容
  • 取決於你的關注角度

消費類IoT

• 消費類IoT裝置主要有2種用途
  • 健身相關裝置
    • 可穿戴、鍛鍊器械等
  • 家庭監控或智慧家居
    • 恆溫器、煙霧探測器、攝像頭等
• 健身市場比較新
  • 通常是電池供電的感測器
  • 藍芽、NFC、Wi-Fi或者USB連線
  • 私有解決方案是主流
    • 比如Garmin、Fitbit、Runtastic等

消費類IoT #2

• 智慧家居又名家庭自動化（home automation）
  • home automation曾經成功希望不大，市場表現平平
• 目前，這個領域的玩家很多
  • Thread
  • Apple HomeKit
  • ZigBee Alliance
  • Z-Wave Alliance
  • IoTivity
  • AllSeen
• 幾十個元件生產商參與以上一個或多個生態中
• 互操作是成功的關鍵

Edge, Middle and Cloud

• IoT可以理解為包括邊緣裝置、中間盒子和雲平臺的生態系統
• 邊緣裝置包括感測器、執行器
  • 通常是電池供電，低功耗網路
  • 消費類邊緣裝置可能採用牆插式供電

Edge, Middle and Cloud #2

• 中間盒子是邊界路由器/閘道器
  • 將邊緣裝置的低功耗網路翻譯為標準的網際網路協議，如IPv4/IPv6
  • 可能提供資料預處理
• 雲平臺提供：
  • 與外部控制器的連線（智慧手機、平板電腦等）
  • 資料彙集和分析
  • 連線和資料服務

邊緣裝置

• 通常使用小型微控制器，如Atmel AVR、ARM Cortex M、MicroChip PIC32等
  • 8/16/32位處理器
  • 無MMU
• IIoT的遺留邊緣裝置採用原有的有線通訊技術，如RS-232/RS-485/RS-170
  • 工業物聯網
  • 電線供電
• 有些邊緣裝置期望電池供電，並且一次性使用數年
• 無線連線，通過低功耗藍芽、NFC、IEEE 80.15.4
• IPv4/IPv6/6LoWPAN或者私有技術如ZigBee或者Z-Wave

邊緣裝置 #2

• 規格多樣，通常
  • RAM < 512 KB
  • Flash < 1-2 MB
  • CPU < 300MHz
• 感測器可能整合到SoC
• 軟體可能執行在裸機或者RTOS上
  • 商業系統，如Wind River/Intel，Micrium，Green Hills，Express Logic
  • 開源系統，如FreeRTOS，Contiki
• C/C++是這部分的主流語言

邊界路由器

• 中間盒子是邊緣裝置和網際網路的閘道器
  • 從低功耗的無線網路獲取資料並輸出IP資料，通過Wi-Fi或者Ethernet
• 這類裝置執行在基於MMU的作業系統上
  • Linux，Tizen，Android，iOS，Windows
• 採取形式如Apple TV、平板電腦或者其它帶有影象介面的裝置或者感測器，如Nest恆溫器
  • 提供本地指令、控制功能和系統監控
• 你的系統可能有多個邊界路由器冗餘
• Java，JavaScript，Python，C/C++是主流語言

雲平臺

• 基於伺服器的平臺
  • 多核x86或者ARM，不間斷電源
• 提供對裝置的下行指令和控制
  • 如手持式裝置介面
• 關注資料彙集和資料分析
• PB級的儲存，強大的處理能力
• Apple Siri和很多其它智慧代理的後臺
• Web語言，如Java，JavaScript，Python等
• Hadoop等框架

PB有多大？

• B （2⁰）：1粒大米
• KB（2¹⁰）：1杯大米
• MB（2²⁰）：8袋大米
• GB（2³⁰）：3貨車大米
• TB（2⁴⁰）：2集裝箱
• PB（2⁵⁰）：覆蓋曼哈頓
• EB（2⁶⁰）：覆蓋英國
• ZB（2⁷⁰）：填滿太平洋

訊息協議

• 很多訊息協議在爭奪霸主地位
• MQTT - Message Queue Telemetry Transport
  • 星型方式
  • 為了訊息可靠性，可基於TCP
  • 側重於遙測資料收集
• XMPP - Extensible Messaging and Presence Protocol
  • 被Facebook和Jabber訊息應用使用
  • 基於HTTP或者TCP上的XML
  • 通訊速率依賴於人的使用頻率

訊息協議 #2

• DDS - Data Distribution Service
  • 側重於裝置到裝置通訊的訂閱/釋出式 M2M中介軟體
  • 物件管理組織的標準（Data Distribution Service）
  • 多種多樣的裝置和服務安全和互操作
• REST - Representational State Transfer
  • 使用HTTP操作（GET/POST/PUT/DELETE等）進行訊息傳輸和儲存
• CoAP - Constrained Application Protocol
  • HTTP協議的簡化版，基於UDP，用於記憶體受限的裝置
• 私有協議
  • 消費類裝置經常使用這種方式

相容性

• 很多物聯網裝置依賴於無線連線
  • Wi-Fi對於電池供電的裝置來說過於耗電
    • 如果裝置是電線供電則非常簡單
    • 通常用於邊界閘道器
  • 用於邊緣裝置的低功耗藍芽（Bluetooth Smart），NFC，蜂窩通訊和IEEE 802.15.4
    • IEEE 802.15.4三層以上各個廠家不一致
• 資料交換包括
  • MQTT，XMPP，CoAP，REST，DDS和私有協議

Apple HomeKit平臺

• 使用藍芽，Wi-Fi或者NFC
• 產品終於上市了
  • 門鎖，恆溫器，攝像頭等各式俱全
  • 相容iOS 8+裝置
• 控制裝置/邊界閘道器是iPhone，iPad，Apple TV
• 端到端加密
• 支援基於時間和位置的觸發器
• 每個邊緣裝置需要配備專有晶片
• 迄今為止，接入雲平臺尚不明確

Apple HomeKit平臺 #2

• 目前沒有Apple HomeKit App
• Apple依賴於廠家App
• 一旦關聯，可以使用語音控制，相容Siri
• 無人干預情況下，裝置之間可以通訊
  • 比如，電燈與百葉窗直接配合

IoTivity平臺

• Open Connectivity Foundation（OCF）贊助的開源專案，由Linux基金會託管
• 支援典型的無線互聯
• 支援訊息通訊，目前包括CoAP，MQTT和REST
  • JSON表示資料
• 仍是官方預覽版軟體
  • 支援Linux, Tizen, Android, Arduino (Mega 2560 and Due)
• 通過加密保障安全，支援證書
• 通過mDNS和uPNP支援服務發現
• 裝置有認證流程

IoTivity平臺 #2

• 不同的成員級別
  • 鑽石級 @ 35萬美元/每年
    • 董事會成員
  • 白金級 @ 5萬美元/每年
  • 黃金級 @ 2千美元/每年
  • 非盈利機構/教育機構 黃金會員 @ 1千美元一次性
  • 所有成員級別均有資格查詢OCF和UPnP認證的產品和服務
• OCF與其它生態系統有合作關係

AllSeen（AllJoyn）平臺

• 由AllSeen聯盟開發
  • 成員超過200家公司，包括微軟，高通，思科，松下和索尼
• 由Linux基金會託管開源專案
• 使用D-Bus訊息匯流排支援發現功能
• 通過閘道器代理API支援Android，iOS，Windows，Linux
  • 支援邊緣裝置
• 認證流程包括 "Design for AllSeen" logo計劃

AllSeen（AllJoyn）平臺 #2

• 端到端加密，X.509證書和其它內建安全特性
• 支援外掛協議轉換器，支援REST，XMPP，MQTT和TR-069
• 支援藍芽，ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi等
• 軟體可以下載
  • 支援各類晶片
• 產品案例
  • https://certify.alljoyn.org/certified-products

Thread組織

• Thread組織成立於2014年，非盈利組織
  • 獨立的，中立的，開放的
  • 成員級別
    • 會員（2.5千美元/每年）
    • 貢獻者（1萬5千美元/每年）
    • 贊助者（10萬美元/每年）
  • 超過200個成員
• Thread組織管理解決方案的釋出
  • 規範、證書、網站、商標、版權、Logos/Seals
• 本質上是行業貿易組織，促進和保護Thread的智慧財產權

Thread標準

• 基於現有的IEEE 802.15.4標準
  • 使用6LoWPAN作為3層以上的協議 [RFC6282]
    • 在修改後的IPv6上使用UDP傳輸
    • 易於連線到閘道器，雲平臺或者智慧手機
  • 每個網路支援250多個產品
• 只需對現有的802.15.4射頻韌體升級即可
  • 工作在2.4GHz的ISM頻段
• 安全方面使用Datagram Transport Layer Security (DTLS) [RFC6347]
  • 提供整合、認證和加密

其它IoT專案/平臺

• Kaa – http://www.kaaproject.org
  • 開源平臺，支援Linux，Android，Windows，iOS
• ThingSpeak – http://thingspeak.com
  • 開源API，使用XML, JSON, REST協議
• Eclipse基金 – http://eclipse.org/kura
  • Kura是結合Apache Camel並基於Java/OSGi的API
  • 與Eurotech公司的Everywhere Cloud infrastructure有關
• 其它IoT專案沒有什麼缺點
  • 問題是發現適合自已的

工業物聯網Industrial IoT

• 儘管消費類IoT的大肆宣傳，很多人認為IIoT才是賺錢的地方
  • 大多數消費者實際上不關心PaaS方案
• 主要玩家正在投入很多錢到這部分市場
  • 比如，建築物監控，流程控制感測器，製造工廠監控，SCADA等
    • 經常需要二類協議如MODBUS和BACNET
  • 一棟建築可能需要多達8000個感測器
• 平臺必須考慮整個生態系統
  • 許多服務以PaaS形式出售

IIoT平臺的功能架構

IIoT平臺 – ThingWorx

• 支援從邊界閘道器到雲平臺的PaaS
  • 對於小型的邊緣裝置沒有明確的途徑
• 側重於工業和醫療系統
• 提供資料儲存和資料分析
• 加密保障安全
• 提供RAD平臺快速開發應用，包括Android和iOS等
• 大的合作伙伴生態系統
• 支援MQTT，DDS，REST和其它開放協議

IIoT平臺 – IBM Bluemix

• IBM的加入允許你使用第三方的API和服務
• 支援MQTT，REST和其它API
• 樂高積木式的服務、儲存和資料分析
  • 訪問基於Watson的資料分析
• 最多20個裝置的免費版本
  • 更高級別的是支援1.5萬個裝置，100MB流量和1GB儲存
    • 第一個1.5萬個裝置之後按裝置個數收費

IIoT平臺 – PubNub

• PubNub是一個全球資料流網路（DSN）
  • 安全、實時的IoT、移動和Web應用通訊API
• 擴充套件至數億個裝置，250毫秒的全球時延，超過70個SDK
• 免費版本包括1個數據中心、100個裝置、1百萬條訊息，附帶郵件技術支援
  • 1個數據中心、1000個裝置、1.5億條訊息~999美元/每月
• 與IBM Bluemix合作

IIoT平臺 – Verizon

• 新服務ThingSpace
  • 剛剛開始
• API列表
  • 連線管理
  • 裝置訊息通訊
  • Verizon雲接入
• 試圖利用LTE
  • 目標是低速率裝置的LTE新無線模式
• 大量現有開發方案，包括BeagleBone Black和Raspberry Pi

IIoT平臺 – Xively

• • 原名Pachube， Cosm
  • LogMeln的一個部門
• 工業應用的PaaS廠商
• 提供庫和SDK整合到平臺
• 使用訊息代理和REST API
• 整合CRM，ERP和運維/調查分析
• 同時出售儲存和服務

IIoT平臺 – Etherios

• 側重於車隊管理、重型機械、醫療器械、製造等
• 可擴充套件的雲管理服務，具備辦公系統整合能力
• 出售平臺和服務
• 為裝置整合移動應用、CRM、社交網路

IIoT平臺 – ThingSquare

• 原來是一個Kickstarter專案
• 開始側重於邊緣裝置
• 目前整合後端服務
• 整體服務到目前為止還未看到

總結

• IoT/IIoT以平臺方式提供的產品沒有不足之處
• 只要裝置可以工作，消費領域的接受度預期是好的
• 工業領域的接受度依賴於從感測節點到資料分析和CRM的深度整合
• 諸如MQTT、DDS、REST、XMPP標準有望利於互操作
  • 諸如低功耗藍芽、Wi-Fi和IEEE 802.15.4無線標準有助於解決物理連線問題
• 許多開源專案有助於促進合作
• 閉源實現將可能實現平滑互操作
  • 但是，被供應商繫結