物联网架构:设计网络通信
关键的外卖
物联网架构的三个主要关键是边缘传感器、网关和云存储。
物联网有时会被过度地抛出;重要的是要能够识别什么是物联网，什么不是物联网。
根据设计人员想强调的方面，有许多不同的物联网协议可用。
设计师应该期待物联网在未来几年的普及。
世界正变得越来越紧密，而设备既推动了这一发展，也反映了这一发展。随着企业和客户可用的未开发数据，物联网架构正在迅速发展，以抓住市场的低效率并产生创新。为了更好地捕捉这种技术时代精神，设计人员应该认识到物联网系统的格式以及常见网络协议固有的优点和缺点。
物联网架构的三大支柱
物联网架构通过三个中心进行通信:边缘传感、网关和数据管理/分析。根据物联网的具体行业应用，某些参数可能需要在设计中优先考虑。大规模数据采集需要高存储和低功率传输成本来实现连续传输，而实时系统则需要优先考虑高处理速度和传输速率。
数据流涉及节点(表示传感器/执行器系统)、网关和云。网关将信息从云端传播到各节点(按数据包指示)，并收集数据，以便在云端进行存储和分析。每个层次的设计都需要在大系统的范围内进行优化:
- 边缘感知-传感器构成了物联网集成的感知层。通过探测内部和外部流程，系统可以更加关注流程中的微小波动，这些波动可能代表效率低下或更糟。可以说，改进诊断的最重要结果是预测性维护，即在维修或更换成本最低的情况下，在系统开发的早期发现系统故障的能力。
- 网关,传感器数据需要与组织网络中的其他相关系统进行通信。粗略地说，系统必须处理三个基本任务:设备如何在系统中实现的硬件和软件描述(包括读/写框架)，数据包传递的寻址，以及处理数据冲突和整体网络可靠性的结构化系统。
- 数据系统-管理流入系统的数据就像系统的大脑，指导实时调整以获得最佳效率。查询、搜索和链接等结构化元素有助于对数据进行排序，并实现快速而强大的数学分析。
物联网已经成为许多领域的重点，重要的是要认识到什么适用于物联网设计，什么不适用:
比如大数据或者4.0行业不一定是物联网系统，尽管它们可以与物联网应用程序一起或在物联网应用程序内部运行，以释放更高的系统性能。
物联网协议的决定因素
与数据流结构同样重要的是用于物联网系统不同层之间通信的协议。不同协议之间存在权衡，主要平衡涉及功耗、速度、距离和比特率。通常，后三个特性中的任何一个的增加都与更大的功率消耗呈正相关，尽管特定的实现可以使增加最小化。根据系统需求，不同的物联网协议在众多行业中得到了应用:
- LPWAN -低功耗广域网系统是合适物联网应用的圣杯，提供巨大的范围和低功耗。对于可以维持低数据保真度和传输速率的传感器和执行器来说，LPWAN是一个近乎完美的无线通信解决方案。
- 蜂窝网络(4G、5G等)-虽然物联网系统可以在蜂窝网络上使用LPWAN协议，但更熟悉的现场协议也可以使用。这些网络需要更大的带宽比窄带物联网架构更好，但也可以提供更高的比特率传输。
- NFC -近场通信可用于4厘米/1.5英寸的距离。虽然这对于长距离设置来说是一个糟糕的选择，但作为一种安全措施，它减少了敏感信息传输的距离。天线通常只能检测到近距离的应答器设备信号。
- 射频识别,NFC的超集，射频识别使用无源或有源设备系统来通信/更新信息;有源格式有两个通信器产生它们的场(总体上在功率方面更昂贵)，而无源方法有目标设备通过作用于发射机的场进行通信。
- 祝福- - -蓝牙低能耗在相对较短的范围内运行(< 100米)，通信通过一些中心连接到外围系统。在这种结构中，节点不需要不断地发送或接收状态更新，这允许它们处于低功耗或休眠模式，直到下一次传输。对于不需要频繁更新的系统，这是一个很好的选择。
- 无线个域网-对于比特率的轻微降低，Zigbee可以使BLE的范围翻倍，并且不需要星型配置来操作。然而，由于传感器需要持续工作，功耗会增加。
- 无线网络,高速、高比特率通信的黄金标准;由于其高功率负载和边缘范围，它很少最适合物联网。
设计师如何应对物联网的挑战
物联网架构与它所负责接口的行业一样多样，软件和硬件团队都需要充分了解系统的整体结构以及特定模型的优缺点。作为一种沟通模式，设计团队需要结合设备和电路板需求来满足他们的项目目标也许并不奇怪。物联网系统的不断推出意味着在电路板层面上有更多的组件，并强调在更大的电子环境中信号完整性和EMC;版式设计师必须继续完善布局和路由优化这些子电路而不会牺牲其他地方的关键性能。
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