[物联网] 3.3 "上云"的各种姿势

与全球网络相连接 有两种让设备连接到网络的方式，一种是由设备本身直接连接全球网络，另一种是在本地区域内使用网关来连接全球网络（图 3.21）。近来，“生活记录”型的设备越来越多，其结构更接近前面说的第二种方式，例如通过蓝牙把可穿戴设备和智能手机配对，通过智能手机向服务器发送数据。

与物联网设备相比，网关设备的硬件结构大多比较丰富，有的还支持再次发送数据和保存部分数据等功能。另外，网关设备还支持高级加密及数据压缩，在需要保证数据传输的安全性时，采用网关无疑是一个明智之选。 另一方面，直接连接网络时，则需要在物联网设备端实现再次发送等错误处理程序。虽然这点还需斟酌，不过如果采用直接连接方式，构建系统时就不用在意是否存在网关了。这样一来就能单纯地建立设备和服务器之间的连接了。 与网关设备的通信方式 物联网设备和网关设备进行通信的方式有很多种，既有有线的也有无线的。因为每种方式都各有利弊，所以需要大家根据设备的用途和特性来进行选择。 选择的标准包括通信时能够使用的协议、通信模块的大小、耗电量，等等。 在这里我们看一下各连接方式的特征。 有线连接 以太网 以太网连接方式采用网关设备和以太网电缆进行有线连接。这种方式不仅不怕无线电频率干扰，能够稳定通信，而且还有一大亮点，那就是能实现普通的 IP 通信协议，跟 PC 进行简单通信。说到缺点，则包括终端要在一定程度上具备丰富的执行环境（如单板计算机），以及尺寸容易偏大，设置场所受限等。 串行通信 串行通信连接方式是指采用 RS-232C 等串行通信来连接其他设备。这个方式的优点包括多数工业产品配备了用于串行通信的端口，容易与现有产品建立连接等。使用 RS-232C 串口时，设备大多使用 D-SUB 9端口（图 3.22）。如果网关设备也有串行端口，那么就能用 RS-232C口线直接连接设备来进行通信。这里的线包括直通线和交叉线两种，请大家按照设备的结构进行选择。 相反，如果网关设备上没有串行端口，就得用“USB 转串口线”来连接了。请各位注意，在这种情况下网关设备里必须安装有与转换芯片（转换芯片在转换线里）对应的驱动程序。如果安装了与 FTDI 芯片（转换芯片的事实标准）对应的驱动软件，就比较容易找到对应的线了（关于驱动程序，会在下一节讲解）。 想实现串行通信，就需要在收发信息的两方设定表示通信速度的参数“比特率”，以及要发送数据的大小。 语言、 Java、 Python 这些常用的编程语言都准备了这种串行通信程序库，是一个很好用的接口。

USB USB 是一个为大家熟知的接口。USB 的插头形形色色，但是在连 接网关的时候，多数情况下跟计算机一样，采用一种叫 Type-A 的插头。 此外， USB 有多种规格，每种规格传输数据的速度都不相同（表 3.2）。 表 3.2 USB 的规格、传输速度及供电能力

要使用通过 USB 连接的设备，就得安装一种叫作设备驱动的软件。因此，用 USB 控制设备和接收数据时，有没有提供与设备对应的驱动就很重要了。打个比方，假设我们想把 USB 相机连接到网关来发送图像。如果想发送给 PC，单纯安装 USB 相机和相机的驱动就行了，而换成网关就不一样了。如果网关是在 Linux 上运行，那么就需要准备Linux 专用的驱动，制作获取图像的软件。 USB 在 PC 等通用机器上非常普及，其特征在于，比起 D-SUB 9 针等端口，这种端口的小尺寸占据了压倒性优势。

无线连接 Wi-Fi 如果采用 Wi-Fi 连接方式，通过 Wi-Fi 接入点就能够连接网络。通过它，可以在不便进行有线连接的环境中，实现移动型设备和 PC 及智能手机的联动，也就能更加容易地搭建出一个与本地区域内其他设备联动的系统了。 为了防止无线电频率干扰，需要注意接入点的设置。以下这些是所有无线连接方式都会面对的情况，那就是需要在安装设备的应用程序时考虑到通信断开的情况，例如先把数据保存在内部，等能连接上的时候再一口气发送过去等，这点工夫还是要费的。 此外，因为和蓝牙 4.0（后文再叙述）相比， Wi-Fi 耗电量高，所以不适合那些需要长时间进行通信的设备。 3G/LTE 3G/LTE 连接方式是通过移动运营商的通信线路来连接网络的。只要从运营商购买 SIM 卡，再把 SIM 卡插入设备里就能够通信了。采用这种连接方式时，只要在信号范围内就能连接上网络，不需要像 Wi-Fi 那样去在意接入点的设置。相反地，在工厂和地下这类信号不好的地方就无法通信了。想使用 3G/LTE，设备上需要配备用来插入 SIM 卡的插槽，这个条件大大地限制了硬件设计的发挥。除此之外，还会持续产生接入费用，所以也会对设备本身的价格与使用形式产生影响，例如采用月付费模式。另外，在某些情况下，开发终端是需要经过运营商审查的，这点请大家注意。

蓝牙 蓝牙是一种近距离无线通信标准，多数智能手机和笔记本电脑都有配备蓝牙。 2009 年，蓝牙 4.0 首次公开，它以内置电池的小型设备为主要应用对象，整合了超低功耗的 BLE（蓝牙低能耗， Bluetooth Low Energy）技术。根据设备的结构不同，它甚至可以实现靠一枚纽扣电池连续运行数年。此外，原本的蓝牙和 Wi-Fi 一样采用 2.4 GHz 频段，容易产生干扰，但是从 4.0 起，这个问题已经得到了大幅度的改善。 除了一对一通信， BLE 还能实现一对多通信，通信机器只要在物联网设备附近且能使用 BLE，就能通过广播发送任意消息了。从 iOS7 起，OS 就利用这种通信形式标准配备了 iBeacon 功能， iBeacon 能够测算环境中设置的 BLE 信号发送器，即 Beacon 的大概位置和 ID 信息（图.23）。这项功能可以给店铺附近的顾客发送最适合他们的广告和优惠券。这种方法也作为一种新的 O2O（ Online to Offline ：一种服务和方法，通过这种服务和方法可以实现 Web 网站和应用程序等线上信息与线下店铺销售的联动）服务而备受瞩目。

除此之外，蓝牙 4.2 还宣布支持 IPv6/6LoWPAN，设备可以通过网关直接连接互联网。从这些特征来看，蓝牙正逐渐占据物联网通信协议中的主要地位。蓝牙是一种在不断更新换代的通信标准。特别是从 v3.X 更新到4.X 时，曾出现非常大规模的兼容性问题。例如， BLE 连接不上支持3.0 的机器。蓝牙技术联盟 A（ Bluetooth SGI）负责制定蓝牙的规格并意识到了这些兼容性上的差异问题，于是把那些能跟 v3.X 前面的机器通信的设备称作“蓝牙”，把只支持 v4.X 的机器称为 Bluetooth SMART，把能兼容所有版本的机器称为Bluetooth SMART READY，以此表示区分（表 3.3）。 表 3.3 蓝牙兼容支持表

这里需要注意的是，想把基于 BLE 的物联网设备连接到网关时， 网关必须支持 Bluetooth SMART 或是 Bluetooth SMART READY。顺带告诉各位，如果换成智能手机，那么只有 iPhone4S 及以后的机型，或者ndroid 4.3（ API Level 18）之后的版本才支持 BLE。请在直接连接手机之前确认操作系统的版本。 IEEE 802.15.4/ZigBee IEEE 802.15.4/ZigBee 是一种使用 2.4 GHz 频段的近距离无线通信标准。其特征是虽然传输速度低，但是与 Wi-Fi 相比，其耗电量较少。如图 3.24 所示， ZigBee 可以采取多种网络形式。其中，网状网（ mesh network）更是 ZigBee 的一大特征，它能在局部信号断开的情况下继续进行通信。只要采用这个方法，就能通过组合大量传感器来简单地搭建传感器网络。

另外，要把 ZigBee 跟 PC、智能手机联动，就需要给这些设备连接专用的接收器。跟蓝牙相比，这是 ZigBee 一个非常大的缺点，因为蓝牙上普遍标准安装了接收器。 易能森 易能森（ EnOcean）是德国 GmbH 公司开发的一种无源无线传输技术。易能森是一个总称，它指的不仅是一种通信标准，还包括感测设备本身（图 3.25）。 易能森旗下设备齐全，包括运动传感器、开关、温度传感器、开关门传感器等形形色色的设备，这些设备都是利用能量采集技术自主发电的。例如，开关就是用按下开关的力量发电通信的，温度传感器则是利用太阳光进行发电并通信的。也就是说，一旦安装后就不用考虑布线和充电的问题了。

获得电波认证 事实上，在不同国家开发和使用无线通信设备时，是需要获得认证的。例如在日本国内，开发者就需要获得电波法 A 的认证（符合技术标准的证明等）。针对不同情况，有时需要履行一些手续，有时不用，因此建议各位在考虑出售产品时，先向熟悉那个国家电波法的专家咨询一下（详情会在第 5 章介绍）。