我们将从连接设备的角度来研究物联网，这些设备可能以前没有相互连接，也没有连接到互联网。他们可能一直没有太多的计算或通信能力。我们假设这些器件在成本、功耗、空、重量、尺寸或散热方面一直存在限制。

正如我们在物联网设备的历史中看到的那样，自20世纪80年代初以来，连接传统上不相连的对象(如卡内基梅隆大学的冰箱)已经成为可能，但成本相当高。需要DEPDP 11主机的处理能力。

摩尔定律证明了硅芯片组中晶体管的数量和密度增加，丹纳德标度定律改善了计算机的功率配置。遵循这两种趋势，我们现在生产的设备可以使用更强大的CPU和更大的内存容量，并运行能够执行完整网络堆栈的操作系统。只有满足这些要求，物联网才能成为一个独立的产业。

对物联网设备的基本要求如下:

具有计算能力，可以运行Internet协议软件栈能够利用802.3等网络传输的硬件和电源不是传统的互联网连接设备，如个人计算机、笔记本电脑、智能***、服务器、数据中心设备、办公生产力设备（office productivity ***chine）或平板电脑

它还包括“边缘”设备。边缘设备本身可以是物联网设备，也可以是物联网设备的“主机”。边缘设备通常是管理计算机节点，它们延伸得更靠近数据生成或数据动作的源。它们可能不是数据中心中的典型服务器和集群，而是现场空机房、电源和环境加固设备。

例如，数据中心中的刀片服务器由针对可控环境优化的电子设备组成，其服务环境包括冷热通道、热交换器和不间断电源。边缘设备可以放置在户外，暴露在天气因素下，以及无法持续供电的区域。其他时候，它们可能包括传统的服务器节点，但它们不受数据中心的限制。

鉴于这些限定因素，物联网市场的实际规模小于分析机构的预测。当我们将传统的IT和互联网连接设备与物联网设备划分开来时，会看到不同的增长率，如图1-4所示。

鉴于这些限制，物联网市场的实际规模小于分析师的预测。当我们将传统的IT和互联网连接设备与物联网设备分开时，我们会看到不同的增长率，如图1-4所示。

▲图1-4从定义上将物联网设备和非物联网设备(如IT设备和移动计算)的销售额分开。

对物联网设备中使用的实际组件的进一步分析将揭示另一种有趣的模式。如前所述，大多数互联网连接设备需要一定水平的性能和硬件来通过标准协议进行通信。然而，图1-5显示了通信芯片和处理器的数量与发运的传感器数量之间的差异。这强化了从传感器到边缘计算机和通信设备存在大量“扇出”的概念。

值得注意的是，大多数物联网设备并不是具备运行互联网软硬件栈能力的单一设备。大多数传感器和设备不具备直接连接到互联网的能力。它们缺乏连接到互联网所需的处理能力、内存资源和电源分配。更准确的说，很多真正的物联网都是依靠星型网络中的***和边缘计算机。

大量设备呈扇形散开，通过局域网、非IP网络(蓝牙)、工业协议(ModBus)、传统棕地协议(RS232)和硬件信号连接到边缘计算机。

01工业和制造业

以连接数量和服务给制造业和工厂自动化带来的价值来衡量，工业物联网(IIoT)是整个物联网领域发展最快、规模最大的细分市场之一。这个细分市场一直是运营技术(OT)的领域。这涉及实时监控物理设备的硬件和软件工具。

历史上，这些系统是管理工厂车间性能和输出的本地计算机和服务器。我们称这些系统为SCADA(监控和数据采集)。的传统IT角色与OT角色的管理方式不同。OT将关注产量指标、正常运行时间、实时数据收集和响应以及系统安全性。IT角色将专注于安全性、分组、数据交付和服务。

随着物联网在工业和制造业中的普及，这些领域会与成千上万的工厂和生产机器的预测性维护相结合，将前所未有的数据量传递到私有云和公有云基础设施。

随着物联网在工业和制造业的普及，这些领域将与成千上万的工厂和生产机器的预测性维护相结合，前所未有的大量数据将转移到私有云和公共云基础设施。

▲图1-5物联网销售中传感器、处理器、通信IC的销售趋势

这一细分市场的特点包括需要为OT提供准实时或实时决策，这意味着时延是工厂车间物联网面临的主要问题。

此外，停机时间和安全性也是最受关注的问题。这意味着数据冗余和可能的私有云网络和数据存储。工业细分市场是增长最快的市场之一。它的一个特点就是对棕地技术的依赖，也就是说软硬件之间的接口并不是目前的主流技术。30岁的生产机器通常依赖于RS485串行接口，而不是现代监听网络的网状结构。

以下是工业和制造业物联网使用案例及其影响:

对新旧设备进行预防性维护通过实时需求提高产量节能安全系统，例如热感应、压力感应和气体泄漏工厂车间专家系统

02消费者

消费设备是最早连接到互联网的细分市场之一。上世纪90年代，面向消费者的物联网最早出现在一所大学。这是一个联网的咖啡壶。21世纪初，随着蓝牙技术的应用，面向消费者的物联网蓬勃发展。

目前，数百万家庭拥有Nest恒温器、Hue智能灯泡、Alexa助手和Roku机顶盒。人们还会将Fitbits与其他可穿戴技术联系在一起。消费者通常是第一个采用这些新技术的市场。我们也可以把它们当作小玩意。都是包装精美，可以插电播放。

市场的制约因素之一是标准的差异。例如，主要的WPAN协议如蓝牙、Zigbee和Z-Wave不能互操作。

这个细分市场与医疗保健市场有一些共同的特征，医疗保健市场也有可穿戴设备和家庭健康监测设备。医疗将超越简单的联网家庭健康设备(例如，超越Fitbit智能手环的功能)。

以下是一些消费者物联网使用案例:

智能家居类：

智能灌溉、智能***门、智能锁、智能灯、智能恒温器和智能安全

系统

可穿戴设备类：

健康和运动***、智能服装/可穿戴设备

宠物类：

宠物定位系统、智能狗狗门

03零售、金融和营销

这一类是指任何基于消费者的商业交易场所。可以是实体店，也可以是快闪亭。这些服务包括传统的银行服务和保险公司，以及休闲和接待服务。零售物联网正在发展，目的是降低销售成本，改善客户体验。这是通过大量的物联网工具实现的。为了简化，我们还在这一类别中添加了广告和营销。

该细分市场衡量实时金融交易的价值。如果物联网解决方案不能提供这种响应，其投资和建设必须慎重考虑。这将限制人们寻找节约成本或增加收入的新方法。提高客户的效率可以使零售商和服务行业提供更好的客户体验，同时最大限度地减少费用和销售成本的损失。

其中一些物联网的用途如下:

定向广告，如近距离定位已知或潜在客户并提供销售信息信标（如近距离感知客户、业务模式和间歇时间）作为营销分析资产跟踪，如库存控制、损失控制和供应链优化冷库监控，例如分析易腐存货的冷藏。将预测分析应用于食品供应资产保险跟踪驾驶员的保险风险测量商场、酒店或市区的数字标牌娱乐场所、会议、音乐会、游乐园和博物馆内的信标系统

04医疗保健

医疗行业将与制造业和物流业争夺物联网收入和影响力的第一名。对于几乎每一个发达国家来说，所有能够提高生活质量、降低医疗成本的制度都是最受关注的。物联网已经做好准备，无论患者身在何处，都可以对其进行远程、灵活的监控。

将使用先进的分析和机器学习工具来观察患者，以诊断疾病并给出治疗方案。在重症监护的情况下，这些系统也可以用作监护仪。目前，可穿戴健康监测器约有5亿台，未来几年将以两位数的速度增长。

医疗系统的严格管理非常重要。从HIPAA合规到数据安全，物联网系统需要像医疗级工具和设备一样工作。如果患者在家接受监护，现场系统需要全天候、可靠且不停机地与医疗中心通信。该系统可能需要同时监控医院网络中救护车上的病人。

一些医疗保健物联网的用法如下:

家庭患者护理预测性和预防性医疗的学习模型痴呆症患者和老年人护理和跟踪医院设备和供应资产跟踪药物定位和安全偏远地区远程医疗药物研究患者跌倒指示灯

05运输和物流业

在物联网中，运输和物流非常重要，如果不是主要驱动力的话。这些用例涉及使用设备跟踪正在交付、运输或装运的资产，无论是在卡车、火车、飞机还是船只上。这也是车联网领域。他们通过通信向驾驶员提供帮助，或者代表驾驶员执行预防性维护。

现在，一辆普通的新车会有100个左右的传感器。随着车对车通信、车对路通信和自动驾驶成为实现安全或舒适的必要功能，这一数字将会翻倍。它的重要作用不仅仅限于消费车辆，还延伸到了铁路线和运输船队，它们承受不起任何停机时间。

我们还将看到服务卡车，可以跟踪工人的工具，建筑设备和其他资产和其他有价值的资产。有些用例可能非常简单，但也非常昂贵，例如在运输货物时监控服务车辆的位置。该系统需要根据要求和常规设置自动将卡车和服务人员运送到各个位置。

这个移动系统需要地理定位，大部分来自GPS导航。从物联网的角度来看，分析的数据会包括资产和时间，以及空之间的坐标。

以下是交通和物流领域的一些物联网用例:

车队跟踪和位置感知市政车辆的规划、路线和监控（除雪、垃圾处理）冷藏运输和食品配送安全轨道车辆识别和跟踪车队内的资产和包裹跟踪道路车辆的预防性维护

06农业与环境

农业和环境物联网包括牲畜健康、土地和土壤分析、微气候预测、有效用水等要素，以及地质和天气相关灾害发生时的灾害预测。虽然世界人口的增长已经放缓，但世界经济变得更加富裕。虽然饥荒不像100年前那样普遍，但到了2035年，对粮食生产的需求将翻一番。

通过物联网可以显著提高农业的效率。使用智能照明，根据家禽年龄调整频谱，可以提高养鸡场现有的生长率，降低死亡率。此外，与目前使用的普通哑光白炽灯相比，智能照明系统每年可以节省十亿美元的能源。

其他用途包括利用传感器的移动和定位来检测牲畜的健康状况。养牛场可以在细菌或病毒感染传播之前发现有患病倾向的动物。远程边缘分析系统可以使用数据分析或机器学习方法实时发现、定位和隔离牛群。

这个细分市场在偏远地区(火山)或人口稀少地区(玉米地)会有所不同。这对数据通信系统有影响。

以下是一些农业和环境物联网使用案例:

智能灌溉和施肥技术，以提高产量智能照明在巢式或家禽养殖中的应用，以提高产量牲畜健康和资产跟踪通过制造商对远程农业设备进行预防性维护基于无人机的土地调查通过资产跟踪实现农场到市场的供应链效率机器人耕作用以预防灾害的火山和断层线监测

07能源行业

能源市场细分包括从生产源头到消费者的能源监控。大量研发工作集中在消费和商业能源监控器上，如智能电表，它通过低功耗和长距离协议进行通信，并可以显示实时能源使用情况。

许多能源生产设施位于偏远或恶劣的环境中，如沙漠地区的太阳能电池板、陡坡上的风电场和核反应堆的危险设施。此外，数据可能需要实时或准实时响应，以便对能源生产控制系统(很像制造系统)做出重要响应。这可能会影响物联网系统在该类别中的部署方式。

以下是能源物联网的一些使用案例:

对石油钻井平台数千个传感器和数据点进行分析，以提高效率远程太阳能电池板监控和维护核设施的危险分析在整个城市范围内部署智能电表、气表和水表，以监控使用情况和需求分时电价定价根据天气情况对远程风力涡轮机进行实时叶片调整

08智慧城市

“智能城市”是一个用来指互联和智能基础设施、市民和车辆的短语。智慧城市是增长最快的细分市场之一，尤其是考虑到税收，其成本效益比相当可观。智慧城市还通过安全性、安全性和易用性影响市民的生活。

例如，巴塞罗那等几个城市采用了物联网技术，根据当前容量和上次取件后的时间来监控垃圾容器和垃圾箱。这提高了垃圾收集的效率，使城市在运输垃圾时使用更少的资源和税收，同时消除了腐烂有机物的潜在气味和臭味。

智慧城市部署的一个特点可能是使用的传感器数量。例如，在纽约的每个街角安装一个智能摄像头需要3000多个摄像头。像巴塞罗那这样的城市将部署近一百万个环境传感器，以监控电力使用、温度、环境条件、空气体质量、噪音水平和停车位。

与流式摄像机相比，这些设备对带宽的要求更低，但传输的数据总量与纽约的监控摄像机几乎相同。在构建正确的物联网架构时，需要考虑数量和带宽的这些特征。

智慧城市还受到政府命令和法规的影响，因此与政府细分市场相连。

智慧城市物联网的一些例子如下:

通过环境感知进行污染控制和监管分析利用城市范围内的传感器网络进行小气候天气预报通过按需废物管理服务提高效率并改善成本通过智能交通灯控制和模式化，改善交通流量和燃油经济性按需城市照明提高能源使用效率根据实时道路需求、天气状况和附近的铲车进行智能扫雪根据天气和当前使用情况对公园和公共场所进行智能灌溉智能摄像机监控犯罪和实时自动AMBER警报智能停车场，可根据需要自动找到最佳停车位桥梁、街道和基础设施的磨损和使用情况检测，以提高使用寿命和服务质量

09军队和政府

美国市政府、州政府和联邦政府以及军方对物联网的部署非常感兴趣。以加州的行政命令B-30-15为例，该命令指出，到2030年，影响全球变暖的温室气体排放量将比1990年的水平低40%。

为了实现这样一个激进的目标，环境监测器、能源传感系统和机器智能将需要发挥作用，同时保持加州经济的活力，按需改变能源模式。其他案例包括物联网战场等项目，旨在提高对敌反击效率。当我们考虑到道路桥梁等政府基础设施的监控时，这个细分市场也属于智慧城市的范畴。

政府在物联网中的作用是以标准化、频谱分配和法规的形式发挥作用。比如频谱资源如何划分、保护、分配给不同的供应商。

以下是一些军事和政府物联网使用案例:

通过物联网设备模式分析和信标进行恐怖威胁分析无人机部署的群体传感器在战场上部署传感器炸弹，形成传感器网络，以监测各种威胁政府资产***系统实时军事人员跟踪和定位服务监测敌对环境的综合传感器水位监测，以测量大坝和防洪能力

作者简介:Perry Lea是一位拥有30年丰富经验的技术专家。他在惠普工作了20多年，是LaserJet业务的首席架构师和杰出的技术专家。随后，他在美光担任技术专家和战略总监，带领团队利用记忆处理研究机器学习和计算机视觉的新兴计算领域。之后，他带领公司在Cradlepoint转向5G和物联网。

本文摘编自《物联网系统架构设计与边缘计算》（原书第2版），经出版方授权发布。

本文摘自《物联网系统的架构设计与边缘计算》(原书第二版)，经出版社授权。

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