物联网在工业领域的应用

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2015-2019年，物联网赛道异常火爆，围绕物联网展开的创业项目层出不穷，吸引了大量资本的关注，创造了无数财富神话，共享自行车便是一个典型案例。然而，2023年阿里云大规模裁撤物联网项目组，这一事件标志着物联网行业的荣光逐渐转向衰退。“眼看他起朱楼，眼看他宴宾客，眼看他楼塌了。”物联网行业从门庭若市到门可罗雀，转瞬之间。

一、什么是物联网
聊工业物联网就不得不说一下物联网，相较于互联网中各种各样的定义，我更加喜欢百度百科的定义。这个定义相对更加准确，更加严谨。从业以来，我见过许多关于物联网的定义，每种定义都存在特定行业视角，也都有一定视角盲区。记得之前百度百科对物联网的定义与现在的描述也有所不同。这种现象的出现，主要是由于物联网在不同的行业环境中，其业务应用方式和表现形式存在显著差异。当然或许在不久的未来，业界对于物联网的定义也会再次发生变化。
物联网这个概念火爆、新颖，主要是来源于物联网技术的应用能够让传统的硬件设备具备更多的应用场景，让更多不受重视的硬件设备具备更多的价值可能性。相较于传统的智能硬件，具备物联网的智能硬件多了一些联网能力。

1. 联网能力联网能力是指硬件设备连接互联网的能力，并不单指硬件设备连接的通讯能力。当前大多数的设备都具备Eth或WiFi通讯模块，具备这些通讯模块是设备具备联网能力的前置条件，并不是后置条件。联网能力是在通讯能力的基础上更加强调硬件设备的与外部数据的交互能力。
互联网承载着人类活动的半壁江山、是人类摆脱物理边界畅想世界的技术载体，只有具备连接互联网能力的硬件设备才可以在当前时代背景下具备更多的价值可能性，物联网技术就是在这一时代背景下诞生的应用技术。相较于人类历史上的技术变更，物联网的发展实在是没有太多的技术突破性，更多的是技术应用领域的创新。
为了满足智能硬件设备的联网能力，物联网智能硬件大多都会依赖于物联网平台存在，物联网平台是连接智能硬件设备与互联网的撮合中心，接入物联网平台的智能硬件设备就是接入了互联网。

2. 联网协议提到物联网，就必不可少的聊到物联网通讯协议。对于物联网协议的宣传，大多企业在面向市场时多采用“蹭热点、追政策”的态度，并没有说清楚各个协议的应用方式。下面我将结合我个人的理解，向大家介绍我对物联网协议的理解。
参考ISO七层模型的标识，结合物联网应用的特性，我将所有的物联网协议都分为3个类型。

相较于应用协议和硬件协议，组网协议是我们在物联网宣传中听到的最多、聊到最多的协议种类。组网协议之所以受到的关注度高，主要是因为组网协议在实际的应用中是最多的。
3. 物联网平台物联网平台主要是负责物联网设备的接入，管理接入物联网平台各个客户端。根据各个企业基于不同的产品定位，物联网平台的建设的思路和侧重点也存在一些差异性。原则上物联网平台是不会承载太多的业务属性，主要的功能基本上是围绕物模型、数据转发、设备维护等业务场景展开。

二、什么是工业物联网
工业物联网是物联网领域的一个分支，与普通的“泛在物联网”不同，工业物联网更加突出物联网技术在工业领域的应用，重点解决工业场景下特殊的通讯要求。在解释工业物联网之前，我先介绍一下物联网到工业物联网演变的内因。
1. 发展与演变随着物联网在国内的快速发展和延伸，物联网的发展也面临应用方向的十字路口。一类是以研发新的物联网智能硬件设备为主，另一类是以研发物联网网关为主。

• 研发新的物联网终端：例如智能门锁、智能洗衣机、智能空调和智能电表等智能家居硬件。这些智能设备通常是在硬件PCB设计时直接增加了联网芯片模组，使其具备联网传输数据的功能，从而提升设备在联网场景下的价值。
  
• 研发硬件联网网关：例如DTU、RTU和边缘网关等联网硬件。这些设备定位是辅助设备联网，赋能传统硬件，让不能联网的大型设备具备联网能力，从而实现设备物联的目的。
  

在建筑家居和环境保护等领域，普遍选择研发新的物联网终端。而在工业生产、电力控制和农业器械等领域，则更倾向于研发特定行业属性的联网网关。导致这种发展方向上的变化，其原因还是在物联网应用时所处环境差异导致的，这两种路径的选择背后主要是基于市场经济的考量。
例如，在工业生产线上，单个设备的采购成本往往高达百万或千万级，为了实现工业互联，全面更新整个产线的设备成本过于庞大，因此加装一个联网硬件网关成为了最佳解决方案。相对而言，智能单品的市场竞争主要集中在外观、体积和质量等方面，价格因素的影响较小，因此大多数智能单品选择开发新设备，而非外挂联网网关。
由于这两条发展路径存在显著差异，物联网在这两个领域的应用呈现出截然不同的发展方向。因此，工业物联网也走出了一条独有的道路。
2. 边缘网关工业物联网的特点在于设备联网方式的差异，工业设备联网需要借助于联网网关才能实现工业设备物联网，在工业物联网行业，我们将具备联网网关的设备通常称为“边缘网关”。当前，边缘网关的应用场景也并不仅限于工业领域，在车联网领域、城市智能化领域也具备一定的应用场景。

如图所示，边缘网关在整个设备物联过程中主要是起着承上启下的作用。边缘网关通过硬件协议与现场的工业设备进行通讯，然后将获得的设备数据转发到物联网平台；同样的，物联网平台发下的控制指令也会通过边缘网关向工业设备发送控制指令代码。在整个数据交互的链路中，边缘网关主要承担着采集、处理、转发这3个业务环节。
【采集】
在采集环节中，用户需要在边缘网关中设置工业设备的通讯协议，实现边缘网关与工业设备本地正常通讯。由于工业现场的设备种类繁多、协议各异，因此边缘网关需要具备多种硬件通讯协议的连接能力，以适应工业设备多元化的需求。
【处理】
边缘网关在实现与工业设备通讯之后，需要将获取到的数据内容转换为物联网平台便于处理的报文格式，因此在数据处理环节需要将工业设备通讯信息与物联网平台创建的设备物模型形成数据对应关系，以便边缘网关能够实现数据的高效转换。
【转发】
工业设备联网最终是需要为业务服务，边缘网关采集的数据也终究要转发到业务端。在此环节中，边缘网关可以配置各个场景下的转发链路，实现工业数据的高效分发。
以上就是边缘网关具备的三个核心业务功能，在当前市场中边缘网关具备的业务功能不仅仅只是如此简单，还会具备很多的特色功能和高阶功能。
3. 集群部署在工业现场，工业制品的生产节拍都是以秒为单位，工业设备之间的协作都是以毫秒为单位，工业设备数据交互时效性非常强。同时由于工业设备的控制逻辑大多都采用“梯形图”编程指令，对高频时序交互具备良好的包容能力，但在处理异常情况时的兼容能力普遍不足。基于工业设备这种“强通讯、弱交互”的特点，边缘网关的高性能、低时延、高可靠就变得非常重要，也是工业物联网实施的基础。为了应对高并发、低时延的场景，满足高可靠、高稳定的要求，工业物联网的边缘网关也逐步由“单体算力”走向“集群算力”的发展方向。
关于集群控制的部署和实施，这是技术的范畴，本文不做具体的描述。本文之所提出集群部署的概念主要是为了表达“边缘网关”并非一定要以传统网关的硬件形式存在。以高度抽象的视角来看网关硬件，实质上是一套“边缘网关”程序部署在一个“硬件盒子”中，“硬件盒子”为“边缘网关”程序提供了算力支持。同样的，“边缘网关”程序也可以利用高性能服务的算力资源，部署在服务器上，两者之间并没有本质区别。相反，部署在服务器上的“边缘网关”程序比那些“硬件盒子”的边缘网关可以极大减少工业企业在日常维护保养上的投入，在设备运维上更具优势。
集群部署固然优势很多，“硬件盒子”也并非一无是处，在一些硬件接口上的丰富性，“硬件盒子”还是具备很好的适用性。
4. 边缘计算边缘计算这个词语是伴随工业物联网应用发展而来的，边缘计算最好的适用场景也是在工业物联网领域。当然边缘计算这种处理问题的理念可以适用各行各业，这里不做讨论。下面我就解释一下我个人观点的由来。

• 边缘侧分担业务侧的压力。工业设备通讯都是毫秒级的，工业设备只要开机基本上不会关机，那么工业设备将无时不刻都在产生设备联网数据。如果这些数据不经过清洗和筛选，一股脑的全部转发到业务侧，那么业务侧将会承接巨大的并发，且随着接入的工业设备数量增加，业务侧接收到的数量将会呈现指数级的增长。因此在边缘网关中通常会加入一定的数据转发规则和数据清洗、拟合、筛选策略。
  
• 设备属性信息的预处理。在工业现场会存在大量的传感器设备，这些设备职责就是检测现场环境参数，将环境变化的数值实时的传输到其他业务系统中。为了避免同一数据在多个业务系统中多次、重复运算处理，一般会在边缘网关内对这类数据进行预处理，最后将处理后的数据进行转发。
  
• 特殊功能的经济效应。在物联网领域摄像头一类的传感器接入不在少数，各类图像识别需求也异常旺盛。如果将摄像头的实时画面不间断的拉取用做图像识别，那么整个网路链路中视频流将会占据整个网络带宽。这对任何一个网络环境都是一个重大压力，特别是连接互联网时将产生非常巨大的成本压力，因此大多数都会考虑在边缘网关侧增加图像识别的能力，然后将图像识别的结果以报文的方式进行传输。
  

加强边缘侧的计算能力、提高边缘侧数据处理能力现已经成为行业发展共识，这是应用的创新，虽然比不上技术创新的新颖，但是其业务意义和经济价值不能小觑。
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