《IoT物联网开发全栈成长计划》第一部分学习笔记(上)

张辉 发表于 2020/09/13 21:56:16 2020/09/13
【摘要】 《IoT物联网开发全栈成长计划》第一部分学习笔记(上)

本文摘自 论坛 https://bbs.huaweicloud.com/forum/thread-73238-1-1.html 本人亲自笔录的内容。文字和图片版权归官方所有,记录下来仅仅是因为学习的目的,特此说明。

一、物联网全栈成长之初始:

第一章 初识物联网:

1.1初探 

特洛伊咖啡壶

历史

1999.提出IoT,概念为依托RFID技术和设备,按约定的通信协议和互联网结合,使得物品信息实现智能识别和管理,实现物体信息互联、可交换和共享而形成的网络。

2005 IUT引用了物联网的概念

2008 IBM智慧地球

2009感知中国

2013 德国工业4.0

2015 中国制造2025

物联网划分阶段:

  • 1999-2013 概念阶段 RFID 物

  • 2014-2016 智能穿戴 智能家居

  • 2016(物联网生态元年)-今 上述已落地

NB-IoT标志着物联网在广域网领域形突破

云,管,端已完成闭环

物联网的层次:

  • 感知层:信息收集和信号处理

  • 网络层:终端接入和数据传输

  • 平台层:设备通信管理,数据存储和业务规划

  • 应用层:数据呈现和客户交互

垂直领域:

  • 公共事业物联网

  • 车联网

  • 工业物联网

  • 智慧家庭物联网

不同的行业采用不同的技术:

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1.2有线技术

以太网,RS232,RS485,PLC,M-Bus

  • 特点:稳定性强,可靠性高

  • 缺点:受限于传输媒介


1.2.1以太网

标准以太网,快速以太网,10G以太网——路由器,宽带等

1.2.2 RS232/RS485

RS232:异步接口,DB9,DB25(监视和控制)

RS485:是RS232的扩展

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1.2.3 Meter-Bus 用于非电力户用仪表传输的欧洲总线标准,总线型拓扑结构可以低成本可靠组网

M-BUS仅对OSI的 物理层、链路层、网络层和应用层做了定义,并增加了管理层

满足了公用事业仪表组网和远程抄表,远程供电和电池供电系统的需要

传输距离1000米。

1.2.4 PLC 电力线通信

场景:电表数据传输,设备交换数据,与信息家电对话,传输安全监控信息

1.3 无线通信

1.3.1 蜂窝移动 2G/3G/4G

2G:GPRS 

场景:共享单车。POS机

1.3.2 短距离无线通信技术

1.3.2.1蓝牙:

2.4-2.485GHz的ISM波段的无线电波,最高速度1Mbps,距离:10cm-10m(放大后可达100米)

场景:手机、耳机、音箱、家电、智能穿戴

特点:速率快,低功耗,安全性高

缺点:节点少

1.3.2.2 WiFi

2.4GUHF或5G SHF ISM射频频段

特点:覆盖广,数据传输块

缺点:安全性不好,稳定性差,功耗略高

1.3.2.3 ZigBee

基于 IEEE802.15.4

场景:工业,智慧家庭

特点:近距离,低复杂度(简单),低功耗,低速率,自组织,使用方便,工作可靠,价格低,每个基站成本不到1000RMB

缺点:信号衰减厉害,不同芯片兼容性差,网络不宜维护

1.3.2.4 ZWave

基于射频,,丹麦推出,ZWave联盟覆盖广。

特点:网络结构简单,低成本,低功耗,高可靠室内30米,室外100米

缺点:速度低,标准不开放,芯片唯一来源sigma designs

场景:住宅,照明商用控制,状态读取应用——抄表,照明和家电控制,接入控制,防盗,火灾监测

总结比较:

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1.4 LPWA 低功耗广域网

技术:

  • sigfox

  • LoRa

  • NB-IoT

1.4.1 sigfox

法国sigfox公司

低功耗,低成本的物联网

技术:

  • UNB超窄带技术

  • 功耗低,稳定数据连接

  • 速率:100bps

可扩展的网络拓扑

使用免授权Sub-G ISM射频频段(欧洲 868MHz,美国915MHz)

1.4.2 LoRa

美国Semtech公司

基于Mac层协议的LPWA,同时基于Sub-GHz频段,基于扩频基础的超远距离无线传输方案

特点:远距离,长电池寿命,大容量,扩展传感网络

1.4.3 NB-IoT

构建与蜂窝网络的窄带物联网,180KHz

可部署在GSM,UMTS和LTE网络

使用需要授权的Sub-GHz

特点:覆盖广、连接多、速率低,成本低、功耗低、架构优

场景:远程抄表、资产跟踪、智能停车,智慧农业

总结比较:

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第二章 窄带无线,海量物联:

2.1 NB-IoT的技术

物理层:带宽180KHz 

上行技术:SC-FDMA(单载波频分多址)

  • 子载波连续的调制解调技术,LTE上行链路的主流技术

  • NB-IoT支持单载波(上行数据仅占用一个子载波,跟高的功率谱密度增益,必备功能)和多载波(占用多个子载波进行上行数据传输,可选功能)。

  • 2种物理信道+2种参考信号

下行技术:OFDMA=OFDM+FDMA 正交频分多址  

  • 将180KHz分成12个子载波,每个15KHz

  • 3种物理信道+2种参考信号

物理信道

  • 措施:降低目标速率,多次传输,低阶调制方式

  • 目的:增加覆盖,降低成本,降低功耗。

NB-IoT部署方式:

  • 独立部署:单独频段,适合于GSM

  • 保护带部署:适用于LTE

  • 带内部署:适用于LTE任何资源快

关键特性:

(一)低成本:华为SingleRAN方案,在现有网络上改造,降低成本;芯片专为物联网设计;单天线,半双工方式,简化信令处理

(二)低功耗:一般仅仅上行,不需要standby. 省电模式:PSM(最省电) ,eDRX(可以根据场景选择)——降低了设备对基站资源的使用

  • PSM:激活态--》空闲态==》寻呼监控态---》休眠态(此时下发的指令缓存在IoT中,设备并不能收到指令)

    • 99%时间在休眠态。因此功耗很低。

    • 场景:水表

  • DRX非连续接收(休眠周期1.28s)--》eDRX:扩展非连续接收(休眠周期2.92h)

    • 场景:共享单车,物流跟踪

    • 并可以同时使用两种方式:当PSM激活期>eDRX周期时,进入eDRX周期

(三)强覆盖:时域重传技术提高功率谱密度,比GSM有20db的MCL提升。可覆盖到地下室

  • MCL:最大耦合损耗。数值越大,覆盖范围越大

  • LTE :142.7 GSM:144 NB-IoT:164。后者比GSM多穿透两堵墙。(通过功率谱密度提升和重复发送来实现增益)

  • 功率谱密度提升:使用子载波比直接使用 180KHz多11dB增益

  • 重复发送:提高9db下行,12db上行增益

(四)大连接:终端多,发送包小,可以使得100K左右的终端同时在一个小区,调度单元小(15KHz)。相同资源下资源利用率更高

  • 减小了空口信令开销。基站和核心网优化后可以缓存上下文信息。终端一旦有数据发送,立刻进入激活态。


2.2 NB-IoT技术牛笔吗?

NB 窄带 由3GPP组织进行研究和标准化

标准的发展:

华为+沃达丰----高通----爱立信---->3GPP

网络架构:

(1)感知层——NB-IoT终端:数据采集;无线连接,发送数据

(2)网络层——eNodeB基站,EPC核心网:负责数据接入,传输,转发,基站可以在2G、4G上升级

核心网支持4个网元:

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  • MME:接入的关键网元,负责信令处理

  • HSS:用户归属服务器。存储用户签约信息的核心数据库

  • S-GW:负责跟核心建立连接

  • P-GW:PDN网关;管理3gpp和非3gpp间的数据路由,策略执行,计费

核心网:负责安全接入,连接管理,网络鉴权,流量计费,流量调度等功能

(3)平台层——物联网平台:

  • 数据存储,数据管理

  • 应用层协议栈适配,终端设备管理

  • API能力开发,大数据分析

(4)应用层——第三方应用:数据呈现和用户界面的交互


2.3 eLTE-IoT的技术

工业物联网专网采用什么技术?

eLTE-IoT解决方案:基于3GPP标准,窄带无线物联网解决方案

eLTE-IoT:

  • 1GHz一下的非授权ISM频谱

  • 灵活易部署的轻量化设备

  • 支持标准物联网协议与企业现有应用平台对接

目标市场:

企业自建窄带无线物联网市场,如制造,电力,水务,智慧城市。

制造业案例:

提供海量的低功耗方案,对传感器数据进行收集,实现对生产状态的监控和对能效的管理。

电力案例:

远程抄表:覆盖广,海量连接,易于部署。单小区3-5km覆盖半径。最大支持1000电表接入。小型化设备易部署,星型拓扑结构。

特性:

  • 可靠连接:基于ISM频谱

  • 可靠物联:最大容量

  • 更低功耗:最长10年

  • 更广覆盖:10Km

支持频段:

  • 中国:470-510MHz

  • 美洲:902-928MHz

  • 欧洲:863-870MHz

可靠连接:

  1. 跳频技术避免干扰提高可靠性:选取信道发送

  2. 强大的收发机制:小包快传技术(几十字节)控制发包长度,减少**扰的概率,快速反馈接收结果,提升了上行传输效率,缩短了终端发送时间,降低了终端功耗

也引入了PSM和eDRX技术。

通过小带宽大功率谱密度发射,提高覆盖穿透能力,最大半径10km。也用了上节提到的时域重传技术。

NB-IoT构建于蜂窝移动网络,而eLTE-IoT构建于免授权的ISM频谱。

网络架构:

eLTE-IoT向上可以跟第三方应用和平台集成,向下可以通过串口设备实现与第三方设备集成

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eLTE-IoT的网元:

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  1. 业务引擎:终端设备管理,终端与AIrNode接入认证鉴权,网络协议处理,数据转发,与第三方应用和平台对接

  2. IoT一体化基站AirNode:轻量化基站,支持挂墙和抱杆安装。支持有线与业务引擎直连,以及3G、4G无线回传模块实现无线网络回传

  3. 用户接入终端CPE:

  4. eLTE-IoT模组与网管设备 

使用eSight管理业务引擎、基站、用户接入终端,实现设备管理和容灾备份。


第三章 窄带无线,海量物联:

3.1工业物联网网关

物联网网关:应对小范围,大量接入,负责上行汇聚,下行回传


工业物联网:

1.工业级严格要求(温度 -40~70 vs 0~40,湿度 5%-95% 防尘,防水,无风扇冷却,防电磁干扰)

2.工业协议众多 RS485,Modbus,Zigbee,RF

3.工业生产网和办公网的交叉融合,网络安全(木马,黑客)

4。运维复杂度高(站点分散,部署工作量大,管理困难)


工业物联网关:

为工业领域涉及,集路由、无线、交换、安全为一体的融合网关

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支持GPRS,3G,LTE


工业级标准:

1.强电磁标准

2.振动冲击标准

安全:1.安全加密,2.集中管理。3。提供设备防攻击机制

升级:热补丁技术。在线平滑升级

便利:免现场调测,即插即用;用户侧设备远程集中管理


降低了运维成本,提高了运维效率

支持——边缘计算:在靠近终端或数据源的边缘节点,融合 联接,计算,存储,控制和应用等核心能力的额开放平台,满足实时,智能,安全的需求。

类比:边缘计算:脊髓中枢神经;云中心:大脑

可以降低时延,提高可靠性


下行通讯技术:

1.PLC

供电和通信二合一;支持自组网,设备上电即可使用

传统PLC——噪声 2MHz以下,也是窄带通讯区间;华为PLC技术主动避开这些区间,技术:通讯频段选择自适应技术(宽带电力线载波技术)

通过抗噪声技术,解决噪声,脉冲,

2.RF Mesh

Mesh技术:可以中继信号,扩展无线覆盖范围,网络自组织,自修复、流量自平衡;提升带宽,降低发射功率。

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3.2 华为工业物联网解决方案

3.2.1 电力物联网 

困扰:

(1)经济损失严重

a 设备:损坏;b 用电大户缺乏有效监控手段, c 用电分析不实时,存在偷电现象

(2)运营效率低,人力成本高

a 没有有效手段降低线路损耗 b 电费收缴难,周期长,拖欠严重 c 用电情况不透明,投诉多

(3)业务决策不实时不准确

a 停电管理无序 b 线路改造无依据 c 业务决策缺乏实时数据支持


需求:急需宽管道 实时传输海量信息


智能电网的趋势:

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电力物联网——输、变、配、用四个环节,其中用电环节最重要


自动抄表。基础要求

抄表协议:DLMS,ModBus

主要价值:电力业务与应用


华为解决方案模块:

1.计费

2.预付费

3.数据管理MDM

4.客户关系管理CRM


3.2.2 城市照明物联网

挑战:

1.高昂的能源消耗:路灯能耗高

2.高运维管理层本:路灯多 ,巡检维护高

3.城市照明服务质量:恶劣条件


华为解决方案:

1.感知层:外置型路灯控制器 AR501L1Rc 符合ANSI C136.1标准接口,可以进行开关、调光、计划和采集数据

可以手机APP扫码安装。

2.网络层:通过RF Mesh或Zigbee技术接入到工业互联网关

网络汇聚,通过3G/LTE进行回传

3.平台层:Enerprise Energy Module作为后台软件,基于Agile Controller平台开发,提供REST接口

提供四个功能:设备管理、计划策略管理、远程升级管理和数据存储

4.应用层:基于GIS的路灯管理应用软件,CityConnect平台

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方案特点:

1.通过路灯控制器控制路灯,按需照明,降低路灯的能源消耗

2.通过RF Mesh组网,获得低成本的海量路灯连接

3.通过app安装方式,降低安装和维护的成本

4.通过平台管理,保障系统的可靠运行


3.2.3 家庭智能网关


发展:

1.以前:拨号上网,点状网络

2.现在:光纤到户,星型结构,IPTV,围绕家庭网关

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3.未来:家庭智慧网关,提供家居安防,家居自动化等智能互联业务,网状结构

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智慧家庭网络:

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1.基础宽带网络:LAN,WiFI,扩展AP   视频娱乐

2.智能互联网络:WiFi ,Zigbee,ZWave 安防监控,家居自动化


家庭网关的关键业务:

1.智能提速 游戏。监控视频实时备份。上行备份加速。

2.Wifi无缝覆盖 单ONT集中式wifi->分布式 扩展方式:a以太网ap,bPLC电力猫 c.无线中继器

3.智能互联与智能业务 USB Dongle扩展,实现zigbee,zWave

统一接入标准,统一UI界面 实现家居设备的控制和场景联动

4.智能运维 家庭网络状态的可视化管理


第四章 LiteOS操作系统

4.1物联网操作系统

操作系统发展:

PC时代:苹果+微软

互联网时代:Windows一统江湖

移动互联网时代:IOS+Andriod

物联网时代:


物联网操作系统的困境和要求

碎片化,方案复杂

支持不同硬件,通讯标准,应用场景


物联网操作系统的好处:

  1. 打破技术障碍和壁垒

  2. 提高操作性和可移植性

  3. 减小开发成本

  4. 适合开源社区的开发人员参与


物联网操作系统的挑战:

  1. 多传感器协同管理复杂

  2. 视频场景下性能、功耗要求高

  3. 开发语言编程效率低、上手难度大


LiteOS特点:

  1. 轻量级

  2. 低功耗

  3. 快速启动(毫秒级)

  4. 快速响应(微秒级)


华为产品LiteOS的使用场景:

华为B3手环,Mate手机的协处理器 (接管加速度传感器,降低待机功耗)

物联网解决方案:家居、停车、水表、照明等


4.2LiteOS的内核

1+N的架构:1个内核,N个中间件(互联框架、传感框架、安全框架和运行引擎

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内核:

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任务管理

嵌入式:单进程多线程

任务即线程,支持抢占式调度和时间片轮转调度机制

功能:任务创建、删除、延迟、挂起、恢复、锁定任务调度、解锁任务调度

任务调度:锁定是锁住共享资源,防止其他任务访问

内存管理

动态内存:按需分配。会出现碎片。DLINK算法及Best Little算法。

静态内存:预设分配,不能按需申请。无碎片。BOX算法

中断管理

中断:暂停当前程序(根据中断请求),转而执行新程序(中断响应,中断处理)

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功能:创建中断、删除中断、开关中断、恢复中断、中断使能、中断屏蔽。

队列管理

消息队列:可以在任务间通信。接收任务或中断的消息。

功能:创建、发送、接收、删除队列

事件管理

事件:可以在IPC通信

事件被触发,从一个任务调度到另一个任务上。

通信机制

信号量:任务间通信。用于同步或临界资源的互斥访问。可以帮助相互竞争的任务去访问共享资源。信号量表示有多少可以供访问的资源。

互斥锁:特殊的信号量。共享资源仅能被一个任务访问。

时间管理

通过芯片中的系统主频。每次触发时,会让系统执行一套指令

通过时钟源,MCU可以知道相对的时间(系统时间)。

CPU时间分片调度。tick 10ms

总结:

  1. 低功耗超小内核

  2. 基础体积10KB

  3.  高实时,高稳定性

  4. 支持动态加载和分散加载

  5. 支持功能静态裁剪


4.3LiteOS的框架结构

4.3.1互联框架

解决不同框架间的互联互通。提供完整的协议栈,降低开发门槛,提供了可灵活配置的应用profile,提供不同设备的互通

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提供AgentTiny中间件,部署在终端上,可快速接入IoT平台

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互联框架还可以优化mesh互联网,,满足海量终端组网。

eg:路灯网络中,LiteOS运行在MCU中,支持快速自愈,高可靠性和支持1000个节点,组网时间小于20mins


4.3.2传感框架

提供了多传感器的统一管理。屏蔽硬件细节,实现即插即用。提供基础算法和融合调用,方便开发者直接调用。

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4.3.3安全框架

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端云安全:双向设备认证。

传输安全:DTLS数据报安全传输协议。可解决数据被窃听、篡改和冒充。

终端安全:API认证。划分了安全区域。

安全存储:在芯片内部划分了不能被外部线程访问的空间。如指纹识别

4.3.4运行引擎

  • 高性能,轻量级的JavaScript虚拟机:针对资源受限设备优化,简化系统集成,隐藏编程细节,兼容 第三方库,丰富平台功能以及安全性。

  • 面向物联网的应用开发框架:开放API接口,接口设计良好,内核精简,利于开发人员平滑切换


第五章 物联网的几个应用场景:

5.1 智慧城市

背景:

市政管理 路灯管理:30%预算

高压钠灯--》节能灯

每日日初日落时间不一样。开灯关灯时间会不同。

高速和住宅区采用不同的策略

路灯控制跟车辆,人物传感器结合。

巡检。晚上需要加班

智能路灯:

  1. 控制开关

  2. 调节亮度

  3. 检测状态

传递数据到后台。

提高巡检效率。

综合考虑因素:

  1. 管理模式

  2. 收入水平

  3. 当地电价

  4. 地理位置

路灯管理模式:

  1. zigbee

  2. PLC

  3. NB-IoT

  4. LPWA

室内停车:使用摄像头对车牌拍摄,进行反向寻车

室外停车:地磁传感器Zigbee多跳(几百米-衰减大)-》LPWA技术

垃圾桶管理:稀疏人口管理检测垃圾桶是否满。进行应用规划

井盖管理:检测器难以传出来。LPWA技术使得传输可能。

天线放哪里?井盖就是天线。

智能水务:雨水含泥量高。造成通水能力下降。进一步采用传感器采集水流和水位。推算出清淤的需求。


5.2 消费电子

厂家诉求:如何使用ICT技术建立跟最终消费者的连接。增加用户粘性

案例

亚马逊的一键下单按钮重新买。

卖狗粮。送项圈。

白色家电:加入芯片。坏的时候先提醒。而不是等用户发现。

目的:

  • 提高用户体验

  • 提高口碑度

  • 提高服务能力和质量。


5.3 绿色能源

(1)AMI(电力抄表,高级计量架构)以及其他表。。

输-电-配-用。 最早窄带PLC-->HiPLC  恶劣环境下电力线抄表。

不能有误差,否则要手工抄表

欧洲:prepaid

希望电力线能够实时采集前端用户的数据,15分钟或30分钟上传数据。。Hi-PLC唯一达到传输可靠性。网速最快。

(2)智能楼宇:

环境实时数据--》控制空调、窗帘、灯光--》达到节能效果。需防止影响舒适度的代价。

节能最高的效果:不牺牲人的舒适性把环境调整到最优的状态。

舒适度模型:

  1. 湿度

  2. 光照

  3. 风速

  4. 温度

  5. 穿衣

  6. 活动量

前端采集+上端管理策略

5.4 车联网

智能公交:

如何在用户旅行中叠加增值服务?

第三方内容运营公司建设车载娱乐系统,插播广告

车队管理服务。

电子站牌。

金融相关的业务。UBI:基于驾驶行为确定的保费。不同驾驶员对象费率不一样。

影响保险费率的因素:驾照年限,理赔历史,地址,停车位置等。

OBD盒子来采集 驾驶习惯。如急刹车和危险驾驶。--》数据分析--》影响保费。

物联网这块需要有一定的培育。

5.5 公共安全

平安城市:

深圳安防展。满眼摄像头 4K摄像头。 存储要求高。人是看不过来的。一个人看15分钟视频,会漏掉50%目标,看22分钟,会漏掉90%的目标。

引出:智能视频技术

很多技能前置了。如人脸检测等。可以达到100%的可靠性。

智能交通:闯红灯抓拍。采集车牌(线圈触发拍照,纯粹智能视频抠图)


(全文完,谢谢阅读)

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