語境運(yùn)算簡化物聯(lián)網(wǎng)的操控

Cypress公司

無論查看哪家調(diào)研公司的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，都會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣的答案——物聯(lián)網(wǎng)（Io T）將形成巨大的市場(chǎng)，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）的，到2020年將有高達(dá)2 120億個(gè)聯(lián)網(wǎng)的“物”?！皵?shù)十億個(gè)物”連接到互聯(lián)網(wǎng)上，將為消費(fèi)者和企業(yè)帶來許多好處，但是隨著待處理信息量的陡增，它們將很快變得難以管理（見圖1）。內(nèi)置微控制器和閃存的智能傳感器可以進(jìn)行語境運(yùn)算——在可能的地方提供本地處理功能，這有助于降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度、流量和巨大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量。

圖1 不斷提升的連通性需求將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的巨大增長

大部分物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將由位于互聯(lián)網(wǎng)邊緣的無線連接傳感器組成，這些設(shè)備會(huì)監(jiān)視本地環(huán)境中的活動(dòng)和情況，并報(bào)告其基本數(shù)據(jù)或狀態(tài)。在理想情況下，這些無線傳感器組（不同傳感器的混合）將被配置為在傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，允許設(shè)備向使用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)廣播命令，而不是原始數(shù)據(jù)。在這個(gè)本地網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，特定的可控設(shè)備將識(shí)別從傳感器組發(fā)出的命令類型，并執(zhí)行相應(yīng)命令。

憑借自帶的處理能力和內(nèi)存，該語境處理功能提供了高效的自動(dòng)故障備份系統(tǒng)，確保在寬帶網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi連接斷開時(shí)不會(huì)失去本地控制。正如將在本文中討論的那樣，通過在更接近最有用的地方處理信息，可以產(chǎn)生較少的互聯(lián)網(wǎng)流量并減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的整體數(shù)量，該技術(shù)可以降低本地物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算復(fù)雜度。

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

為了提供信息的連通性，有大量不同的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)中，因此需要建立本地網(wǎng)絡(luò)來管理傳感器，并控制特定語境下的節(jié)點(diǎn)。使用符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的ZigBee是連接這些設(shè)備的一個(gè)通用方法。雖然802.15.4標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)定義了集中控制的集群網(wǎng)絡(luò)，但在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)網(wǎng)狀的實(shí)現(xiàn)方式顯得更有彈性。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由作為云網(wǎng)關(guān)的邊緣路由器、形成多跳連接網(wǎng)格并可作為控制節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)，以及在網(wǎng)絡(luò)邊緣包含傳感器和潛在執(zhí)行器的主機(jī)節(jié)點(diǎn)組成（見圖2）。

圖2 建筑物內(nèi)典型的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

這些包括邊緣路由器（云網(wǎng)關(guān)）、可以兼任控制節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)，以及包含傳感器/執(zhí)行器的主機(jī)節(jié)點(diǎn)。盡管可以采用集中式集群的實(shí)現(xiàn)方式（如圖2右側(cè)所示），然而在節(jié)點(diǎn)失效的情況下，采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（如圖2左側(cè)所示）將具有更大的彈性。

通常情況下，這些傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)向連接到網(wǎng)關(guān)的傳感器匯聚設(shè)備，或在采用下一代智能網(wǎng)關(guān)時(shí)，直接向網(wǎng)關(guān)本身發(fā)送溫度、背景光亮度或定時(shí)開啟動(dòng)作檢測(cè)等原始數(shù)據(jù)。智能網(wǎng)關(guān)通常擁有網(wǎng)絡(luò)智能來決定如何處理這些信息。如果沒有，可以將諸如能源使用、安全性等數(shù)據(jù)經(jīng)過云發(fā)送到服務(wù)提供商來管理，并由智能手機(jī)來控制。

直接連接到智能手機(jī)的智能網(wǎng)關(guān)Wi-Fi，可以讓用戶根據(jù)收到的信息采取本地行動(dòng)。而更新的服務(wù)提供商網(wǎng)關(guān)則實(shí)現(xiàn)了基于特定編程條件來決定采取何種本地行動(dòng)的功能，例如該系統(tǒng)可以設(shè)定為在指定時(shí)長內(nèi)沒有動(dòng)作則關(guān)掉空調(diào)。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)也可以完成這項(xiàng)任務(wù)，但需要通過圖形用戶界面（GUI）進(jìn)行多次操作。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠以節(jié)能的方式來管理基礎(chǔ)設(shè)施，但需要很多路由節(jié)點(diǎn)，而且常常需要網(wǎng)關(guān)來創(chuàng)建可控的明確動(dòng)作。為了處理傳感器信息，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的程序運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)中，然后采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作，以一種有效的方式來控制本地物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這也同樣適用于基于云的服務(wù)。分析傳感器信息的語境事件與傳感器本身的物理距離越遠(yuǎn)，高效的控制系統(tǒng)創(chuàng)建起來就越復(fù)雜。對(duì)基于云的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)來說，如果服務(wù)提供商的調(diào)制解調(diào)器失去寬帶連接或本地網(wǎng)關(guān)失去Wi-Fi連接，與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接將會(huì)斷開，網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)從根本上失去所有的本地控制以及節(jié)約能源的機(jī)會(huì)。而在語境運(yùn)算方式下工作的智能傳感器，提供了防止此類故障的第三級(jí)控制。

無線LED照明

智能LED照明系統(tǒng)是最容易想到的，在不遠(yuǎn)的將來可以用最輕松的方式來安裝的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之一。盡管有其缺點(diǎn)，但是這種方法帶來了通過便利的智能手機(jī)來進(jìn)行調(diào)暗燈光和開關(guān)燈等操作的巨大機(jī)會(huì)。然而，要利用潛在的可能需要以特定的方式來實(shí)現(xiàn)和操作網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)LED燈進(jìn)行編程，從而按照網(wǎng)關(guān)或云服務(wù)中的時(shí)間表來工作。智能網(wǎng)關(guān)有能力自動(dòng)如此操作，而如果所有與云的無線連接都正常，云服務(wù)則可以管理這些動(dòng)作。更有趣的方法是，能夠利用發(fā)自語境設(shè)置的被動(dòng)信息來控制LED，而無需調(diào)度或云服務(wù)的干預(yù)。

有了ZigBee Light Link（光鏈路）無線LED燈，用戶在房間、家里或辦公室里安裝幾個(gè)燈泡就可以用輕量級(jí)協(xié)議棧搭建起一個(gè)無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是自我創(chuàng)建和自我維護(hù)的，所以搭建它并不需要什么技術(shù)專長，而且在之后的一段時(shí)間內(nèi)可以自動(dòng)添加更多的設(shè)備。智能無線傳感器可以連接到這個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，向?qū)⒉扇∵m當(dāng)動(dòng)作的智能網(wǎng)關(guān)或外面的云服務(wù)管理提供信息。無線LED照明網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組成見圖3。

智能傳感器節(jié)點(diǎn)通常擁有自帶閃存的MCU，以及與一組相關(guān)傳感器和無線模塊相連所需的串行連接。例如，家居照明控制系統(tǒng)中的傳感器組可能包括對(duì)環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器。一旦傳感器節(jié)點(diǎn)注冊(cè)到智能網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中，收集到的任何數(shù)據(jù)將具有給定位置的語境信息。網(wǎng)關(guān)或云服務(wù)可以指揮LED燈等本地可控器件按照預(yù)定義的優(yōu)先級(jí)來使用這些語境信息，這些特定LED燈裝置的管理仍然駐留在網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)或智能手機(jī)中。

圖3 無線LED照明網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

隨著低成本、低功耗、自帶不同規(guī)格閃存MCU的引入，可以有效和直接地在傳感器節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行一些傳感器的信息分析。在這些智能傳感器節(jié)點(diǎn)中收集到的信息可以在本地處理，以提供語境關(guān)聯(lián)。智能傳感器可以基于本地傳感器的分析定義出一系列命令，而不是將原始信息發(fā)送到遠(yuǎn)端進(jìn)行處理。這種智能語境傳感器信息可以直接命令指配給它的本地設(shè)備，而無需網(wǎng)關(guān)或云服務(wù)的干預(yù)。

例如，在家庭網(wǎng)絡(luò)中，如果傳感器組檢測(cè)到在某指定區(qū)域內(nèi)有30分鐘沒有活動(dòng)出現(xiàn)并讀出一定的光亮水平，該設(shè)備可以直接向分配給該語境區(qū)域的本地LED燈發(fā)送調(diào)暗的命令，稍后智能傳感器會(huì)檢查是否發(fā)現(xiàn)其他活動(dòng)。如果在給定時(shí)間內(nèi)仍然沒有檢測(cè)到任何活動(dòng)，將直接向LED燈發(fā)送完全關(guān)閉的第二條命令。

只有在網(wǎng)關(guān)沒有收到任何其他來源的更高優(yōu)先級(jí)的新近命令時(shí)，這些智能傳感器的命令才會(huì)對(duì)LED燈生效。LED燈對(duì)于智能傳感器直接命令的響應(yīng)，也可以以信息形式發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)外的云。如果云服務(wù)已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)服務(wù)程序，例如“出于安全考慮，在固定時(shí)間段內(nèi)稍稍開一點(diǎn)燈”，由于其優(yōu)先級(jí)別更高，云服務(wù)命令可以被發(fā)送到LED燈，而忽略任何直接來自傳感器的控制信息，LED燈的傳感器自主控制將被覆蓋。一旦云服務(wù)動(dòng)作完成，對(duì)LED燈智能傳感器的優(yōu)先覆蓋將被取消。

能量采集

使用能量采集技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一種智能無線網(wǎng)狀傳感器，創(chuàng)造出低成本的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，而無需有線連接或更換電池（見圖4），這些設(shè)備可實(shí)際應(yīng)用于語境運(yùn)算的任何地方。

例如，精確放置的無線智能傳感器可以利用通過門口的人流數(shù)量來監(jiān)控流量，并管理在某個(gè)樓層或特定辦公區(qū)內(nèi)連接的設(shè)備。無線運(yùn)動(dòng)傳感器的信息可以在能量采集PMIC的幫助下傳送到運(yùn)行ZigBee光鏈路協(xié)議棧的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。壓電發(fā)電機(jī)可以將人走在地毯上引起的壓縮等物理運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能，來為無線智能傳感器供電。地毯內(nèi)置的地板傳感器可以使用這種壓電能量采集方法來監(jiān)測(cè)人流量，并且僅在有人走過該區(qū)域時(shí)發(fā)送信息。

圖4 捕捉動(dòng)能、光能、熱能或風(fēng)能來運(yùn)行低功耗無線傳感器的一種能量采集解決方案

圖5 無線傳感器節(jié)點(diǎn)入門套件

可用的無線傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵因素包括（見圖5）自帶適當(dāng)閃存、具備快速啟動(dòng)能力和帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的省電睡眠模式的低功耗MCU；以太陽能電池或壓電作為能量輸入，將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容或低維護(hù)長壽命的充電電池中的PMIC；低功率802.15.4收發(fā)機(jī)。

現(xiàn)在，在能量采集環(huán)境中監(jiān)測(cè)的是智能傳感器網(wǎng)絡(luò)中的焦耳數(shù)量，而不是電壓、電流或功率，執(zhí)行任務(wù)所需的能量是最新的關(guān)注轉(zhuǎn)變。

憑借在所需位置準(zhǔn)確放置這些智能語境運(yùn)算傳感器的靈活性，可以創(chuàng)建出更加高效的系統(tǒng)來被動(dòng)管理LED燈等物聯(lián)網(wǎng)可控設(shè)備，而無需在智能網(wǎng)關(guān)或云服務(wù)中運(yùn)行復(fù)雜的分析程序。沒有電線、不用更換電池、無需維護(hù)，就等于是簡化管理，節(jié)約了大量能源。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢(shì)頭持續(xù)上升，問題不再集中于將來會(huì)有多少億的連網(wǎng)設(shè)備，由于不斷涌現(xiàn)技術(shù)新成果，現(xiàn)在關(guān)注的重點(diǎn)是如何有效地管理所有這些連接。智能傳感器的語境運(yùn)算為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮其潛能提供了一個(gè)重要的工具。

編后語：語境運(yùn)算乍聽起來有些生僻，其實(shí)這個(gè)概念早在十多年就已經(jīng)有了。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，語境運(yùn)算也將會(huì)被賦予新的內(nèi)涵和應(yīng)用。為了幫助讀者更好地理解這篇文章，本期《學(xué)習(xí)園地》欄目刊載了一篇相關(guān)文章，深入淺出地講解了語境運(yùn)算的概念。