IoT 架构。拓扑结构和边缘计算的考虑

奎恩-琼斯 Quinn Jones, 高级产品经理 -Digi XBee, Digi International
2020年7月22日

物联网(IoT)项目可能很复杂,因为有许多决定要做。对于任何IoT 项目,你需要获得通信设备,如无线电和网关,使用一种或多种连接方法和协议连接这些设备,并确保这些设备按要求运作。而在这一过程中,有许多决定要做,包括电路板设计、天线位置和与其他设备的互连性。一个IoT 架构是这些决定的最终结果。 

一个典型的IoT 架构是无线设备、智能网关、路由器和云计算的组合。在这篇博客中,我们将重点讨论你在确定战略时需要做出的无线协议和连接选择,并将在此过程中触及物理组件。 

评估你的IoT 架构要求

为你的新项目选择最佳的IoT 架构,涉及到对你的连接需求的评估,以及对可用技术的评估,当然还有将这一切结合起来的资源。对于你需要做出的许多决定,没有一个错误或正确的答案,但这是一个评估和选择最适合你的使用情况和所需产品设计特点的问题。

举例来说,几种无线协议有可能用于设备之间的通信,但它们都有具体的好处和理想的使用情况。对你的部署最有效的协议取决于你的独特方案。因此,充分了解你的项目和可用的选项很重要。

在Digi,当我们与客户合作以帮助确定他们的IoT 架构需求时,我们会问许多问题并审查一系列的选择。下面是一些重要的考虑因素,在高层次上,帮助你组织起来。

  • IoT 架构功能。
    • 你的IoT 架构是否需要收集数据,例如在传感器网络中?
    • 它是否需要包括监测和控制,例如在SCADA网络中?
    • 你的设备需要多频繁地发送数据?
    • 设备和网关之间的距离是多少? 
    • 数据从终端节点发送到网关的速度必须有多快?
    • 你是否有必须满足的严格的时间要求? 
    • 你的IoT 设备将如何连接到云端?
    • 电源管理是否是一个值得关注的问题--例如在一个大型或远程网络中,如果必须经常更换电池,那么成本会很高或效率很低?
  • IoT 设备选择:上市时间和"建造与购买"的考虑。 
    • 你将需要选择IoT ,如支持你项目所需功能的无线电和网关。
    • 如果时间不是必须的,你也许可以从头开始建立你的解决方案。
    • 如果上市时间是关键,你最好从预建和预认证的无线模块开始,并有可能参与支持服务。
  • 管理你部署的设备。
    • 确定你是否需要一个支持空中(OTA)选项的协议,以便在你所有的设备上更新固件。
    • 如果没有,请确定你是否能负担得起使用较新的协议,该协议可能会有固件升级来修复问题或增强功能。 
    • 在没有OTA固件升级的情况下,重要的是要考虑到进行手动、逐一升级或发送 "卡车卷 "来更新现场设备的成本。

所有这些决定都会影响到你项目的整体规划、部署和管理,并最终影响到总的拥有成本。让我们仔细看看其中的一些考虑。

拓扑结构和边缘计算的考虑

许多工程师在准备设计他们的IoT 网络时问的一个关键问题是。"什么拓扑结构最适合我的应用?"一些选择包括网状网络协议,如Zigbee或DigiMesh,以及点对点或点对多点。在某些情况下,根据前面提供的问题,哪种拓扑结构最合理是很清楚的。在其他情况下,它可能需要额外的研究和测试。

在以下各节中,我们将探讨在你评估哪种拓扑结构适合你的需要时需要考虑的一些问题。

网状网络 

网络工程师往往对某种特定的拓扑结构有经验,并可能认为它可以用于任何环境,但有时另一种选择对不同的使用情况来说会更理想。要确定网状网络拓扑结构对你的应用是否是一个好的选择,重要的是要了解这种策略的利弊。

要分析的一个关键因素是你的系统的时间要求。网状网络拓扑结构将数据从一个节点传送到另一个节点,这个网络是以网状结构设计的。因此,由于增加了延迟,需要考虑到 "跳 "的问题。你需要在100毫秒内返回数据,还是可以接受一秒钟一次?

最终由您来决定,但拥有不同拓扑结构的选择可以使无线部署的成功率大为提高。 你的Digi团队可以支持你对这些权衡的评估。

网状网络的特点。

  • 网状网络的优势在于支持网络中的大量节点--在某些情况下,根据架构的不同,可以达到一千多个节点。 
  • 数据智能地从节点到节点再到网关之间找到它的路径。 
  • 如果一个节点在网络中消失了,网络将重新发现一个新的路径,以确保数据能够到达网关。 
  • 如果一个节点被添加到网络中,一旦它被发现,网络就可以通过添加的节点进行数据路由。 
  • 网状网络通过允许从节点或设备到网关的多条路径来提供冗余,并在条件变化时灵活调整。 
  • 还可以建立子网络来隔离来自相邻网络的数据。当你有一个有数千个节点的密集网络,如太阳能农场或智能照明应用,当延迟不是一个问题时,这是一个绝对伟大的功能。  

网状网络有标准,如Zigbee,也有点对点网络,如DigiMesh,Digi支持这两种协议。 

Zigbee和DigiMesh的主要区别。

  • Zigbee通常在2.4 GHz频率上,而DigiMesh可在2.4 GHz XBee模块以及900 MHz和868 MHz XBee模块上运行。 
  • Zigbee有终端节点、路由器和协调器,代表终端设备、中继器和网关。 
  • DigiMesh是一个点对点的网状网络,它还提供自我修复、密集的网络操作、通过睡眠模式延长电池寿命,以及容易设置和配置。

为了了解其中的利弊并确定适合你使用情况的协议,你可以在我们的相关博文中比较Zigbee和DigiMesh的优点和缺点。 如需更深入的了解,请参阅Zigbee与DigiMesh白皮书

点对点或点对多点

无线点对点(PTP)和点对多点(PTMP)是在广泛的应用中用于连接的拓扑结构,例如,你想用无线通信取代电缆的使用情况。这些协议在两个设备之间(点对点)或从一个设备到多个设备(点对多点)进行通信。

有一些因素需要考虑,如距离、时间和电池电量,可能表明是否需要PTP网络与网状网络。

以下是PTP和PTMP协议的一些亮点。 

  • 如果你需要为一两英里外的几台设备建立无线链接,而且你有良好的视线,那么PTP可能是最简单的解决方案。 
  • PTP或PTMP对电池供电的应用来说是有效的。在需要时可以发送数据,然后根据你的通信需要启用睡眠模式。在PTP/PTMP类型的应用中,让你的电池持续几年也不是不可能的事。
  • 相比之下,网状网络增加了延迟,也更耗电,因为需要一个主电源供电的路由器或中继器。
因此,如果你的网络相当小,而且范围明确,PTP/PTMP比网状网络有很多优势。
 

PTP和PTMP网络的另一个考虑是,它们的设置非常简单和快速。 它们与有严格时间要求的协议(如Modbus)配合良好。 

与手机、Wi-Fi和蓝牙直接连接

除了我们讨论过的IoT 架构外,在情况允许的情况下,你也可以通过Wi-Fi和蜂窝网络直接将设备连接到云端。每种策略都有优点和缺点。

Wi-Fi可能是目前最普遍的协议。然而,重要的是要考虑客户现场的互联网可用性,以及他们的安全政策。让你的IoT 设备连接到某人的Wi-Fi网络上,并不总是一个快速的过程。它可能需要额外的安全审查,而且在某些情况下,根据客户的公司政策,是不可能的。 

在住宅应用中,与数百个不同的无线接入点和不同水平的客户的Wi-Fi技能合作,也是一种挑战。 

蜂窝应用的重要考虑。

  • 在使用蜂窝式无线电的连接方面,你需要确保你能接入蜂窝式网络,这在大多数城市环境中是普遍存在的,但在更多的农村地区可能是一个挑战。 
  • 你需要考虑到数据速率,并确保你以应用所需的速度向云端发送数据。LTE-M和LTE Cat-1协议非常适合大多数IoT ,从传感器向云端发送数据的应用。 
  • 激活、数据计划、SIM卡管理和远程设备管理也需要被考虑在内,因为在维护IoT 设备的蜂窝连接时涉及更多的活动部件。 
一个例子是与Verizon或AT&T这样的运营商合作。 如果你是一家新成立的公司,或者刚刚开始你的第一个手机IoT 项目,直接与Verizon或AT&T这样的运营商合作,有时可能会令人沮丧。与MVNO(移动虚拟网络运营商)合作可以更有效率,并帮助你及时启动你的IoT 项目。Digi还提供计划、SIM卡和远程管理工具(Digi Remote Manager®(远程管理器)。)来帮助你的项目快速进入市场。
 

另一个IoT 趋势是在一个模块上有双无线电支持,如Digi的XBee 3产品。你有一个主要的无线协议,如LTE-M、Cat-1、Zigbee或802.15.4,以及一个用于配置和管理的内置蓝牙链接。

想象一下,当你走到现场的设备前,不需要用电缆连接它来进行配置或排除故障,而是用手机上的应用程序进行蓝牙链接。与拖着电脑和电缆进行配置相比,这也使得调试设备变得轻而易举。  

投入式交流

无线网络可以建立在各种拓扑结构和配置上。例如,通过无线链路将远程传感器或设备连接到智能网关,该智能网关可选择通过蜂窝、Wi-Fi或以太网回传数据,这已被证实并取得成功。从远程设备或传感器收集数据,然后通过无线链路发送到智能网关。然后,该网关将数据 "回传 "到云端进行分析或控制。 

一个 "插入式网络 "是为你的应用创建一个特定的网络。在SCADA或遥测环境中,引入一个具有回程能力的网关,以及连接到远程射频节点来回发送数据的能力。 

在一些随处可见的网络应用中,一个连接到设备的蜂窝路由器可能就是你所需要的全部。一个例子是零售店的信息亭或POS终端,使用蜂窝网络连接来处理交易。

投入式网络的另一个优点是,你不必依赖或寻求批准加入现有网络。通常情况下,获得加入客户Wi-Fi网络的许可比设计和部署你自己的网络要花更多的时间。创建一个插入式网络使你能够灵活地决定网状、点对点和点对多点之间哪种拓扑结构最有效,然后使你有能力控制网络的所有方面。  

具有成千上万个节点的网状网络频繁地与网关通信,对于太阳能田和街道照明等应用来说是非常好的。在PTP或PTMP应用中使用长距离的900兆赫无线电,并采用插入式网络拓扑结构,可以帮助你覆盖像油田或农业环境中分布在较远距离的设备。

基于蜂窝的Digi XBee 3模块还允许你绕过传统的网关拓扑结构,直接从设备向云端发送数据,但它需要为解决方案中实施的每个Digi XBee® 3蜂窝调制解调器提供数据计划。幸运的是,随着时间的推移,数据计划成本已大幅下降,运营商正在开发创新的蜂窝数据计划,如集合或分层的蜂窝计划。Digi可以与您合作,帮助确定适合您的应用的最佳解决方案。

边缘智能

边缘的智能是最新的IoT 趋势之一。 边缘计算 有助于使解决方案更有效率,并减少从大量设备向云端发送数据时的延迟。与其将所有数据发送到云端进行分析和行动,不如在边缘进行决策和数据处理。这减少了通过网络的流量,并在性能方面提供了额外的收益。

电池寿命也是远程部署传感器的一个关键因素。你在网络上传输的数据越多,你对电池的消耗就越大。因此,重要的是要考虑到你需要你的设备多长时间报告一次,并定制你的模块连接以获得最佳性能。

边缘的智能可以帮助远程传感器节点知道何时根据条件变化发送数据,从而减少昂贵的发射电流消耗,在蜂窝电话的情况下,减少数据费用。

Digi XBee 模块上的MicroPython允许工程师创建边缘智能,从而实现电池寿命优化等。例如,如果一个传感器的读数没有变化,边缘设备就不需要发送数据,可以通过保持睡眠模式来节约电池。

边缘计算还允许终端设备做出有条件的决定,而不是向网关查询命令,这很像一个孩子不断向父母请求允许做某事。为了进一步的类比,如果你不希望孩子做任何事情都要征得同意,你可以给设备添加一些智能,让它来处理非关键的进程。

智能网关

Digi IX15工业网关在许多类型的IoT 应用中,数据从设备中起伏,流向一个网关。例如,当传感器数据进来并传输到云端时,智能网关,如 Digi XBee 工业网关 可以汇总数据以及对特定的传感器数据采取行动,这有助于优化与云的通信。

当涉及到蜂窝回程时,这种智能特别有价值(即与运营商的数据计划和成本)。带有可编程语言的网关,如Python,使用户有能力为网关增加一些智能,以更有效地管理数据。你可以通过Python代码来优化你的解决方案,而不是仅仅通过默认的回程协议将数据通过网关。这样做可以帮助你避免发送大量数据,减少蜂窝数据费用,并在设置阈值警告你特定事件时迅速采取行动。 

在网关中拥有其他回程通信选项,如Wi-Fi和以太网,对IoT 应用也非常有用。当本地网络可用时,可以连接网关以避免蜂窝电话费。然而,当只有蜂窝网络覆盖时,拥有国内和国际不同运营商的选项,在需要进行全球部署时,可以使生活变得简单。管理已部署的网关以进行诊断和故障排除的工具,以及远程固件升级能力,是IoT 应用的必要条件。

IoT 安全问题

当你评估你的IoT 架构的组件时,安全是你的IoT 解决方案要考虑的另一个方面。 虽然数据包加密是大多数嵌入式安全系统的基础,但你是否考虑过安全启动、保护硬件端口、认证和安全连接?

每个IoT 设计者都应该考虑其IoT 设备硬件和软件的可用安全措施,并在IoT 项目开始时评估安全技术,以减少风险并确保成功。例如,Digi XBee 模块使用安全会话并集成了Digi Trustfence®安全框架。   

原型设计、测试和开发资源

虽然在你规划你的IoT 架构时有很多需要考虑,但幸运的是有一些资源可以帮助你。

用于原型设计和测试的开发套件

Digi XBee 3 蜂窝式LTE-M/NB-IoT 开发套件IoT 开发套件 可能是测试功能的关键。通常,开发套件的成本较低,包含分析不同类型的无线网络所需的所有硬件。通过几个不同的开发套件进行测试,以确定哪一个对你的应用表现最好,这并不罕见。开发套件的另一个巨大优势是,你可以很容易地在Digi-Key或Mouser等分销商处找到它们,而且在你订购后一天就可以在实验室进行测试。

IoT 开发套件使学生、创客和工程师能够轻松地以快速和廉价的方式制作无线IoT 解决方案的原型。

IoT 开发工具

对于使用Digi XBee 模块设计应用程序的开发人员,Digi提供了一个获奖的工具套件。 Digi XBee 工具.该套件包括硬件和软件,旨在帮助团队快速开发、构建、部署和管理IoT 应用程序。 

Digi还提供教程和视频,以帮助开发人员建立原型和测试他们的设计。见我们的博文。 Digi XBee 开发无线应用的教程和资源该网站提供了一个这些资源的目录。 
 

原型设计和产品开发的支持服务

利用专门从事原型设计、测试和IoT 项目的其他方面的服务,可以迅速加速你的项目通过设计阶段,甚至通过开发。例如,Digi Wireless Design Services为IoT 项目提供全方位的支持,从构思到完整的开发和认证服务。

虽然你可以自己做很多事情,但在你计划部署的地方做一个现场调查可以帮助避免在实验室里没有预料到的问题。大多数现实世界的应用都不是在最理想的射频条件下。建筑物、墙壁、树木和其他结构等障碍物很容易使无线网络失效。现场调查可以帮助你确定哪些天线是最好的(或者你是否需要定制天线),本底噪声(或潜在的射频干扰源)是什么样的,以及是否有任何你在开发解决方案时没有预料到的 "问题"。

将现场调查与对安装技术人员的培训结合起来,你就能在游戏中取得领先。

其他IoT 架构的考虑

你的IoT 解决方案的无线部分还有其他方面也需要考虑到。其中一些起初可能看起来微不足道,但如果在你的IoT 项目的规划阶段没有考虑到这些问题,可能需要进行电路板旋转或额外的时间进行固件更新。

下面是其中的一些考虑因素。

  • 你需要为你监测的设备提供GPS/GNSS服务吗?而且,GPS可以与你所选择的蜂窝式调制解调器一起使用,还是在你的电路板上有一个单独的GPS调制解调器更好?(见我们的博文,GeoIoT 。快速和容易地将GPS定位服务添加到你的IoT 应用程序中)。
  • 你想在一个地区部署,如北美,还是你的解决方案将在全球范围内使用? 这对你在选择IoT 设备时需要的产品SKU,以及所需的认证和相关费用都有影响。(请参阅我们的博客文章:"走向全球的蜂窝式部署")。
  • 一旦设备被部署到现场,你有什么计划来管理固件升级、远程诊断或故障排除?(见我们的博文,什么是IoT 设备管理?) 
  • 你的解决方案是否会暴露在高温或低温下? 如果是这样,你的解决方案的哪些部分会根据温度来限制操作? 
与正确的合作伙伴和解决方案合作,可以帮助你确保你的解决方案获得成功,并显示快速的投资回报率。Digi是一个端到端的IoT 解决方案供应商,为原型设计、开发和部署提供集成的硬件、软件、工具、安全解决方案和服务。
 

摘要

一个成功的IoT 部署可能需要大量的研究、计划、测试,有时还需要一些咨询和外包。花时间权衡选择,不要害怕在你承诺使用IoT 架构之前测试一些开发工具包。在你的项目开始时花时间研究和了解各种选择,可以为你节省时间、金钱和麻烦。

Digi可以与你合作,确定正确的协议、RF硬件、软件和专业服务。请与我们联系,开始对话。 

了解有关大型IoT 部署的情况
观看我们的视频 - 关于部署50,000台设备你应该知道的五件事

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