技術(shù)出現(xiàn)了巨大變化：所有一切都連接到互聯(lián)網(wǎng)。功能強(qiáng)大而且使用方便的互聯(lián)網(wǎng)使得這些產(chǎn)品的價(jià)值更高,，因此,，企業(yè)蜂擁而至,，將其物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品推向市場(chǎng),。

傳感器

　　傳感器無(wú)處不在;您的汽車(chē)和電話里到處都是,。之所以出現(xiàn)這種增長(zhǎng),，有三個(gè)關(guān)鍵原因—傳感器的尺寸越來(lái)越小,，價(jià)格低廉，功耗也越來(lái)越低,。一個(gè)很好的例子是MEMS加速度計(jì),， 它最先被廣泛應(yīng)用在車(chē)輛的氣囊中。這些器件的成本很快從數(shù)百美元降到幾十美元,。成本降低之后,，它們幾乎可以用在所有其他類(lèi)型的物體上。現(xiàn)在,，這些器件得以 應(yīng)用于數(shù)十億臺(tái)智能電話中,，價(jià)格也降到一美元。傳感器越來(lái)越小,，價(jià)格越來(lái)越低,，隨之進(jìn)入了更多的市場(chǎng)領(lǐng)域。在這一過(guò)程中,，傳感器在傳統(tǒng)器件中增加了智能 化,，改變了世界。

　　一些常用的傳感器測(cè)量溫度,、壓力,、振動(dòng)、液流和加速度,。此外,，攝像機(jī)和麥克風(fēng)也很常見(jiàn)。現(xiàn)在,，新出的電話還有陀螺儀和磁場(chǎng)計(jì)?，F(xiàn)在的單芯片解決方案含有三個(gè)加速度計(jì)、三個(gè)陀螺儀和三個(gè)磁場(chǎng)計(jì),。我們會(huì)看到目前的傳感器在精度和靈敏度上會(huì)不斷改進(jìn),，而且還能夠探測(cè)其他形式的能量和物質(zhì)。

　　無(wú)線通信

　　隨著傳感器的快速發(fā)展,，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地選擇通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將其鏈接起來(lái),。但是不同的傳感器有不同的需求，不同的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也有不同的特性,。您的應(yīng)用適合采用哪種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)?

　　無(wú)線有很多種標(biāo)準(zhǔn),，例如，GPRS,、GSM,、CDMA、Zigbee,、Bluetooth,、WiFi,、全球定位系統(tǒng) (GPS)、近期通信 (NFC),，以及射頻識(shí)別 (RFID) 等,。每一種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此,，根據(jù)您的具體應(yīng)用,，建議使用不同的技術(shù)以滿(mǎn)足您的需求。

　　您的應(yīng)用適合采用哪種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)?請(qǐng)參見(jiàn)表1 ,。

　　表1. 無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指南

　　當(dāng)您通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)集成一組傳感器并使其協(xié)調(diào)工作時(shí),，就需要建立數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是對(duì)連續(xù)真實(shí)的信息進(jìn)行采樣,，產(chǎn)生軟件能夠處理的數(shù)據(jù),。可以把采集 到的數(shù)據(jù)在設(shè)備上顯示,、分析并存儲(chǔ),。PC、電話或者其他可穿戴式設(shè)備都可以用于對(duì)來(lái)自傳感器的真實(shí)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組件包括相應(yīng)的傳感 器,、濾波器、信號(hào)調(diào)理,、數(shù)據(jù)采集器件,，以及應(yīng)用軟件。最終的數(shù)據(jù)分析應(yīng)與輸入數(shù)據(jù)一致,，因此，由采集功能負(fù)責(zé)提供高質(zhì)量數(shù)據(jù),。需要進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)才能獲得有意義的數(shù)據(jù),。

　　目前的難點(diǎn)

　　讓我們了解一下目前的難點(diǎn)和限制。傳感器的應(yīng)用受限于哪里?對(duì)于大量的IoT設(shè)備,，電池可能是主要的限制,。電池的發(fā)展比較慢，當(dāng)我們嘗試使其工作時(shí)間更 長(zhǎng),，或者體積更小時(shí),，一直會(huì)面臨比較大的限制。之所以出現(xiàn)進(jìn)展緩慢這一問(wèn)題,，原因是電池供電和容量是無(wú)線傳輸距離最關(guān)鍵的限制,。例如，藍(lán)牙和WiFi的傳輸距離不遠(yuǎn),。藍(lán)牙相對(duì)功耗較低,。蜂窩技術(shù)能夠傳輸幾英里,，但是功耗很高。

　　一種工作方式是突發(fā)傳輸,，只把功耗很高的長(zhǎng)距離發(fā)射器打開(kāi)幾秒鐘,，發(fā)送數(shù)據(jù)，然后關(guān)掉它,。但是,，這對(duì)于接收器而言卻帶來(lái)了問(wèn)題，它只有打開(kāi)時(shí)才監(jiān)聽(tīng)信息： 如果一個(gè)設(shè)備時(shí)斷時(shí)續(xù)的發(fā)送,，另一個(gè)也是時(shí)斷時(shí)續(xù)的監(jiān)聽(tīng),，那么，它們可能建立不了通信,。WiFi 和蜂窩等協(xié)議要求一直或者幾乎連續(xù)的連接,，因此，很難降低電池功耗,。

    這些限制導(dǎo)致一些有趣的設(shè)計(jì)綜合考慮?，F(xiàn)在能夠以很低的成本而且也很容易使用 GPS 定位芯片，確定設(shè)備的位置,。但即使是 GPS,，它也只是一個(gè)接收器，功耗也比較大,。比較而言,，加速度計(jì)的功耗非常低。通常您可以使用加速度計(jì)來(lái)替代 GPS 模塊,，從而降低功耗,。數(shù)據(jù)雖然不同，但是加速度計(jì)上更智能的軟件一般能夠獲得很好的位置信息,。

    除了功耗限制,，IoT設(shè)計(jì)人員還要注意傳感器的其他特性。傳感器本身在精度和線性度上就有限制,。成本極低的傳感器雖然非?？幔窃诰€性度,、失調(diào)和漂移等 方面精度要比價(jià)格昂貴的傳感器差一些,。可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)大幅度降低這類(lèi)誤差,。工廠校對(duì)的成本很高,，但是也不容易克服漂移帶來(lái)的問(wèn)題。要在使用過(guò)程中校準(zhǔn),，應(yīng) 知道什么時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行校準(zhǔn),。

　　例如,，當(dāng)加速度計(jì)靜止時(shí)，可以通過(guò)存儲(chǔ)其讀數(shù),，消除低成本加速度計(jì)的失調(diào)誤差,。然而，加速度計(jì)本身無(wú)法識(shí)別是靜止還是在一直緩慢的加速,。這就會(huì)導(dǎo)致不正確的校準(zhǔn),。軟件能夠消除很多這類(lèi)限制，但是需要很好的電子硬件來(lái)采集數(shù)據(jù),。

　　安全

　　連接IoT器件的安全問(wèn)題可能會(huì)很難解決,，原因在于人們一般不愿意有計(jì)劃的應(yīng)對(duì)這些不常出現(xiàn)的事件，也不會(huì)對(duì)此而額外付出,，即使他們知道這些事件的影響會(huì) 很大,。但實(shí)際上，我們會(huì)不得不針對(duì)這些極端但是很少出現(xiàn)的事件開(kāi)發(fā)新的風(fēng)險(xiǎn)管理策略,，例如,，大風(fēng)暴 (Sandy 颶風(fēng))，太陽(yáng)耀斑導(dǎo)致的電子干擾,，以及網(wǎng)站被黑等,。

　　再比如，我們的電子和電氣基礎(chǔ)設(shè)施從未在極端太陽(yáng)耀斑活動(dòng)時(shí)進(jìn)行測(cè)試,，這類(lèi)活動(dòng)也只在100年前發(fā)生過(guò),。要是發(fā)生在今天，我們已經(jīng)非常依賴(lài)電力,，其破壞程度會(huì)非常大,。有了IoT后，這種依賴(lài)程度就更大了,。我們應(yīng)該考慮電網(wǎng)停電后對(duì)連接了IoT的系統(tǒng)的影響,。

　　當(dāng)然，我們也不一定非要應(yīng)對(duì)一百年才發(fā)生一次的事件,。人們一般只有在受到黑客攻擊時(shí)才吃驚的發(fā)現(xiàn)自己對(duì)此缺乏準(zhǔn)備。由于這類(lèi)攻擊,，導(dǎo)致了每年有上千萬(wàn)的個(gè) 人數(shù)據(jù)被盜,。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)被電子化后—不僅僅是您的身份，而且還有您的家庭安全系統(tǒng)以及您個(gè)人的行蹤等,，都有可能受到威脅,。竊賊會(huì)遠(yuǎn)程監(jiān)視您家庭的信 息，知道您在哪里,，從而知道什么時(shí)候破門(mén)而入,。安全問(wèn)題在IoT上尤為重要,。但是，傳感器也應(yīng)對(duì)此負(fù)責(zé)嗎?

　　數(shù)據(jù)格式難題

　　傳感器的另一限制是每個(gè)傳感器都有自己的數(shù)據(jù)速率,、精度和信號(hào)處理需求,。在IoT上有沒(méi)有一種統(tǒng)一的方法來(lái)處理這些問(wèn)題?例如，一般是一秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間 采集一次溫度值,。取決于具體應(yīng)用,，加速度計(jì)可能需要每秒鐘采樣數(shù)千次。如果一個(gè)設(shè)備要同時(shí)對(duì)此進(jìn)行監(jiān)測(cè),，那么數(shù)據(jù)包內(nèi)容會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生很大的變化,。這并 不難處理，但是并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),，因此,，獲得來(lái)自很多源的數(shù)據(jù)后，很難理解源的含義,。

　　應(yīng)該以原始二進(jìn)制的方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù),，減少在傳感器上的處理需求，或者應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成工程單位?除非您知道怎樣將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程單位,，使其成為簡(jiǎn)單的統(tǒng)一標(biāo) 準(zhǔn),，否則，二進(jìn)制毫無(wú)意義,。如果數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成工程單位,，哪種單位是標(biāo)準(zhǔn)?溫度可以是攝氏度或者華氏度。壓力有很多單位,，會(huì)讓人發(fā)瘋：帕斯卡,、大氣壓、 psi,、水的深度,，水銀汞柱，等等,。因此,，應(yīng)該對(duì)單位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，或者在消息中進(jìn)行設(shè)定,。

　　此外,，某些傳感器的信號(hào)處理也非常復(fù)雜。把熱偶讀數(shù)轉(zhuǎn)換成攝氏度需要進(jìn)行冷接點(diǎn)補(bǔ)償,、放大和線性化處理,。在軟件中進(jìn)行線性化，以獲得最佳精度,。這就需要大 規(guī)模表格或者高階多項(xiàng)式計(jì)算,，對(duì)于存儲(chǔ)器有限的微型低功耗器件就是很大的負(fù)擔(dān),。今后幾年數(shù)字處理的不斷發(fā)展會(huì)減輕這種負(fù)擔(dān)。

　　我希望全世界有一種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),，能夠靈活的處理家庭,、工業(yè)、醫(yī)療以及其他應(yīng)用,，傳感器節(jié)點(diǎn)不會(huì)受累于此,。您會(huì)看到為什么這并不是小事。

　　我們應(yīng)該克服這些難題,，讓IoT未來(lái)更輝煌?IoT之所以可行是因?yàn)閭鞲衅髟诓粩喔倪M(jìn),，進(jìn)一步推動(dòng)了傳感器創(chuàng)新。我們今后還會(huì)遇到很大的難題,。我希望我們能夠解決大部分難題,。