基于邊緣計(jì)算的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

魏鏡酈

（武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430415）

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)中，智能物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為普及的技術(shù)。隨著這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用，面臨的挑戰(zhàn)也日益增大。在這種情況下，邊緣計(jì)算技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，可以為智能物聯(lián)網(wǎng)提供更快、更穩(wěn)定和更靈活的技術(shù)支持，從而使其更加高效和可靠。

1 研究背景

智能物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由普及的機(jī)器與物品相連的全球聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其具有智能化、聯(lián)網(wǎng)化、數(shù)據(jù)化及云服務(wù)化的特點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智能物聯(lián)網(wǎng)逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段。然而，在應(yīng)用過程中，智能物聯(lián)網(wǎng)仍然存在許多問題，例如延遲、響應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)分析能力有限等。

1.1 智能物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀

現(xiàn)在智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)應(yīng)用到許多領(lǐng)域。傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷增加，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量急劇增加。同時(shí)，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法也不斷進(jìn)步和發(fā)展。智能物聯(lián)網(wǎng)提供了許多應(yīng)用場(chǎng)景，如智能家居、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能交通等，這些應(yīng)用改善了人們的生活和工作方式，極大地提高了效率和便利性。邊緣計(jì)算技術(shù)可以將數(shù)據(jù)處理推向設(shè)備周圍，增強(qiáng)了智能物聯(lián)網(wǎng)的性能，更快速地提供最新的信息和反饋。同時(shí)，邊緣計(jì)算可以從多個(gè)角度切入智能物聯(lián)網(wǎng)，與云計(jì)算和傳統(tǒng)計(jì)算相結(jié)合，托管和管理設(shè)施更加簡化，提升企業(yè)工作流程的優(yōu)化和效能。

1.2 邊緣計(jì)算技術(shù)的概念

邊緣計(jì)算技術(shù)是指將計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的重心從云端向網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近，將計(jì)算任務(wù)分布到網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端設(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)更快速和高效的數(shù)據(jù)處理。邊緣計(jì)算技術(shù)可以讓數(shù)據(jù)更快地被處理和響應(yīng)，同時(shí)也可以減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)和云端資源的依賴性，實(shí)現(xiàn)更快速的響應(yīng)和更低成本的數(shù)據(jù)處理。

邊緣計(jì)算技術(shù)將計(jì)算和數(shù)據(jù)處理靠近了終端設(shè)備，減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，很好地解決了數(shù)據(jù)安全和隱私問題，并提高了資源利用率，逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)的重要組成部分。

2 邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的作用和意義

2.1 邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中的作用和優(yōu)勢(shì)

智能物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器等設(shè)備可以采集大量數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的云端計(jì)算模式中，這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸后才能進(jìn)行處理，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理速度緩慢，響應(yīng)延遲長等問題。當(dāng)邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于智能物聯(lián)網(wǎng)中時(shí)，可以將數(shù)據(jù)處理的任務(wù)從云端分散到邊緣設(shè)備，從而使智能物聯(lián)網(wǎng)具有更快的響應(yīng)速度和更高的穩(wěn)定性。

2.2 邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的功能擴(kuò)展和性能提升的幫助

邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中扮演著至關(guān)重要的角色，它可以大大擴(kuò)展智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用功能和提高性能。邊緣計(jì)算技術(shù)將計(jì)算任務(wù)從中心云服務(wù)器轉(zhuǎn)移到設(shè)備端，可以實(shí)現(xiàn)更快速的響應(yīng)和更高效的計(jì)算能力。邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用可以提升智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、安全性和性能等諸多方面，從而更好地滿足用戶的需求和提高服務(wù)質(zhì)量。另外，邊緣計(jì)算技術(shù)還可以更好地保護(hù)用戶數(shù)據(jù)的隱私和安全，尤其是在醫(yī)療和金融領(lǐng)域等安全性要求較高的應(yīng)用中更加突出。因此，邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)于智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更好的性能和功能擴(kuò)展有著非常重要的幫助作用。

2.3 深度學(xué)習(xí)在邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展

深度學(xué)習(xí)是一種高效的算法，可以從復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中部署的原始傳感器數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取信息。由于其多層結(jié)構(gòu)，深度學(xué)習(xí)也特別適用于邊緣計(jì)算環(huán)境。因此，考慮到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特點(diǎn)，首先需要將深度學(xué)習(xí)引入邊緣計(jì)算環(huán)境中，并為其設(shè)計(jì)一個(gè)邊緣計(jì)算架構(gòu)。這可以在邊緣處理大量傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，大大降低網(wǎng)絡(luò)延遲并提高應(yīng)用性能。例如，在智能交通系統(tǒng)中，可以在邊緣使用深度學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)高效地處理監(jiān)控?cái)z像頭中的視頻，提供有價(jià)值的洞察，優(yōu)化交通流量并提高安全性[1]。

3 基于邊緣計(jì)算的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基于邊緣計(jì)算的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的架構(gòu)框架

基于邊緣計(jì)算的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的架構(gòu)框架大致可以分為以下部分。

3.1.1 感知層

此層包含用于傳感和捕捉物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)的各種傳感器和執(zhí)行器。這些傳感器可以從環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。它們也可以用于控制設(shè)備執(zhí)行器的狀態(tài)和指令。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

此層是將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)的核心。它利用各種通訊協(xié)議（如WLAN、Zigbee、LTE 等）將設(shè)備連接到邊緣設(shè)備。

3.1.3 邊緣層

此層包含一組邊緣設(shè)備，它們用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。這些設(shè)備可以包括路由器、交換機(jī)、傳感器和嵌入式設(shè)備。這些設(shè)備可以在本地處理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)傳輸量和能源消耗。

3.1.4 應(yīng)用層

此層包含與智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序相關(guān)的所有軟件。它們可以在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、邊緣設(shè)備和云平臺(tái)中運(yùn)行。這些應(yīng)用程序可以直接控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或根據(jù)數(shù)據(jù)生成決策，實(shí)現(xiàn)智能控制和監(jiān)測(cè)。

3.2 應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)優(yōu)化智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)利用邊緣計(jì)算技術(shù)，將計(jì)算任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣，使得智能設(shè)備在本地處理數(shù)據(jù)和計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)更快速、更靈活、更安全的數(shù)據(jù)處理能力。在邊緣設(shè)備中運(yùn)行的應(yīng)用可以采用云和邊緣計(jì)算來共同實(shí)現(xiàn)，充分利用云計(jì)算的規(guī)模效益和邊緣計(jì)算的低延遲和數(shù)據(jù)保密能力。

在邊緣節(jié)點(diǎn)中，可以利用數(shù)據(jù)聚合和分布式計(jì)算等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和清洗，以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性。同時(shí)，也可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型在本地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)更智能化的功能，如預(yù)測(cè)維護(hù)、故障檢測(cè)、異常警報(bào)等。可以使用深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等高級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用，例如自然語言處理、圖像識(shí)別和人臉識(shí)別等。

在邊緣節(jié)點(diǎn)中，還可以使用容器技術(shù)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行封裝和部署，從而實(shí)現(xiàn)更靈活和可擴(kuò)展的應(yīng)用部署方式。使用容器技術(shù)可以將應(yīng)用程序和其依賴關(guān)系封裝成單個(gè)可移植的軟件容器，便于跨平臺(tái)部署、升級(jí)和管理。

3.3 采用邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能云端的協(xié)同工作

智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用越來越廣泛，但同時(shí)也帶來了一些挑戰(zhàn)和問題。為了解決這些問題，采用邊緣計(jì)算技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行整合已成為一種有前途的解決方案。邊緣計(jì)算技術(shù)可以對(duì)一些簡單的計(jì)算任務(wù)進(jìn)行處理，從而減輕云端的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和低延遲的應(yīng)用程序。而云計(jì)算技術(shù)可以對(duì)復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)進(jìn)行處理，從而提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和計(jì)算能力。通過將數(shù)據(jù)的處理和分配工作協(xié)同進(jìn)行，邊緣計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)性能更好、更快速的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

實(shí)際上，通過邊緣計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行整合，還可以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)處理和管理功能。邊緣設(shè)備可以在本地處理一些預(yù)處理任務(wù)，例如數(shù)據(jù)的壓縮和濾波等，從而減小數(shù)據(jù)的體積，并提高數(shù)據(jù)上傳的效率。而云端可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地處理和利用，生成更有價(jià)值的業(yè)務(wù)洞察和推薦。由此，智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)管理和分析能力得到了大幅提升。

邊緣計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)的整合，可以為智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來更高的性能、更快的響應(yīng)速度、更好的數(shù)據(jù)管理和安全性等多方面的優(yōu)勢(shì)。未來，還可以期待更多的創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，為智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用打造更加高效和智能的計(jì)算框架[2]。

4 基于邊緣計(jì)算的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 邊緣計(jì)算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的機(jī)制

傳輸機(jī)制和安全與隱私保護(hù)是邊緣計(jì)算中傳輸環(huán)節(jié)所要解決的重要問題。在智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的安全和隱私保護(hù)至關(guān)重要，因?yàn)樯婕暗接脩舻膫€(gè)人信息和敏感數(shù)據(jù)。

在傳輸機(jī)制方面，邊緣計(jì)算采用近距離傳輸模式，將數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)放在邊緣設(shè)備上，直接在設(shè)備或傳感器附近進(jìn)行本地化處理和存儲(chǔ)，省去了將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理的步驟，避免了傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸等問題。邊緣設(shè)備可以通過本地緩存、預(yù)處理和自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等手段，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎托阅?，保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性和穩(wěn)定性。

在安全和隱私保護(hù)方面，邊緣計(jì)算采用加密技術(shù)和安全傳輸協(xié)議等手段來確保數(shù)據(jù)的安全性，防止被黑客攻擊和網(wǎng)絡(luò)竊取等情況發(fā)生。同時(shí)，為保護(hù)個(gè)人隱私，邊緣設(shè)備還可以采用匿名化、脫敏等技術(shù)，去除個(gè)人身份信息，降低數(shù)據(jù)泄露和濫用的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，邊緣計(jì)算還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)權(quán)限管理，通過身份認(rèn)證、訪問控制等技術(shù)，確保只有授權(quán)的用戶可以訪問和使用數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)等措施，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的容災(zāi)能力和安全性，避免數(shù)據(jù)丟失和損壞等情況發(fā)生[3]。

4.2 邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用安全問題

邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用安全問題是一個(gè)值得關(guān)注的話題，因?yàn)檫吘売?jì)算涉及到大量的設(shè)備和數(shù)據(jù)，安全威脅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。以下是幾個(gè)應(yīng)用安全問題：

1）設(shè)備身份驗(yàn)證：智能物聯(lián)網(wǎng)涉及到大量的設(shè)備，這些設(shè)備之間需要進(jìn)行認(rèn)證和授權(quán)，以確保系統(tǒng)的安全性。只有經(jīng)過身份驗(yàn)證的設(shè)備才能連接到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理。使用一些強(qiáng)密碼策略來防止網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備被黑客攻擊。

2）數(shù)據(jù)加密：智能物聯(lián)網(wǎng)中涉及到大量的敏感數(shù)據(jù)（如用戶隱私數(shù)據(jù)、工業(yè)控制數(shù)據(jù)等），這些數(shù)據(jù)需要被保護(hù)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。因此，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行加密和解密處理以確保數(shù)據(jù)隱私的保護(hù)。邊緣設(shè)備也應(yīng)定期更新其安全設(shè)置以應(yīng)對(duì)新型的攻擊技術(shù)。

3）相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性：邊緣設(shè)備之間的通信需要確保數(shù)據(jù)的完整性，以防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被篡改。這可以通過數(shù)字簽名和哈希算法等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。此外，部署了強(qiáng)有力的防御機(jī)制來應(yīng)對(duì)馬后炮式的攻擊。

4）安全性監(jiān)控：智能物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣設(shè)備需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便及時(shí)識(shí)別和響應(yīng)潛在的安全問題。這可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、檢測(cè)設(shè)備的行為來實(shí)現(xiàn)，及時(shí)檢測(cè)并快速響應(yīng)安全威脅問題[4]。

5 基于邊緣計(jì)算的智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例研究

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，物流企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)全鏈條的實(shí)時(shí)監(jiān)控、控制和管理。具體來說，該應(yīng)用可以通過布置傳感設(shè)備，在運(yùn)輸和存儲(chǔ)貨物的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)進(jìn)行處理和分析。通過數(shù)據(jù)采集與處理，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享，物流企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)從傳感設(shè)備中收集到的數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)控，及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出設(shè)置的閾值時(shí)，及時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，避免貨物質(zhì)量受損。同時(shí)，在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，對(duì)物流各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面管控，優(yōu)化運(yùn)輸路徑、選型和裝車方案、庫存管理等，進(jìn)一步提高物流效率和降低運(yùn)營成本。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化應(yīng)用還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、交換和分發(fā)，以保證多方數(shù)據(jù)共享和信息透明。這些數(shù)據(jù)可以對(duì)貨物運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)控，同時(shí)可以對(duì)運(yùn)輸過程進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高物流質(zhì)量和運(yùn)輸安全[5]。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的冷鏈智能化應(yīng)用不僅可以提高物流效率、降低運(yùn)營成本，同時(shí)也可以提高客戶滿意度，從而獲得更好的市場(chǎng)競(jìng)爭力。它使得物流企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)全鏈條的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語

邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，包括如何采用邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能云端的協(xié)同工作，邊緣計(jì)算技術(shù)中的數(shù)據(jù)處理，以及邊緣計(jì)算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的機(jī)制和考慮的問題。同時(shí)，邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用安全問題，包括設(shè)備身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)訪問權(quán)限管理和安全性監(jiān)控等方面。通過這些內(nèi)容的討論，旨在提高人們對(duì)于邊緣計(jì)算技術(shù)在智能物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的理解和認(rèn)識(shí)，并幫助人們更好地應(yīng)對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理和安全問題。