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1、物联网原理、实践与解决方案1 .第一部分原理与实践2 .一概述原理与实践3 .二物联网架构4 .三设备的原理5 .四实践中的设备6 .五连接的原理7 .六实践中的连接8 .七采集的原理9 .八实践中的采集10 .九学习的原理11 .十实践中的学习12 .十一应用的原理13 .十二实践中的应用14 .三总结一一原理和实践15 .第二部分解决方案16 .十四概述解决方案17 .I五精准邮递18 .十六精准列车19 .十七精准矿业20 .十八精准基因测序21 .十九精准农业22 .二卜精准建筑23 .二十精准施工24 .二十二精准医疗26 .二十四精准电网27 .二十五精准农业28 .二十六精准水务
2、29 .二十七精准冷却塔30 .二十八精准赛车控制31 .二十九解决方案总结一概述原理与实践二物联网架构三设备的原理四实践中的设备五连接的原理六实践中的连接七采集的原理八实践中的采集九学习的原理十实践中的学习H一应用的原理十二实践中的应用十三总结一原理和实践概述原理与实践许多人认为物联网（IoT）是涉及面包机与冰箱的交流。毫无疑问有朝一日会出现非常有用的消费者物联网应用，然而本书的重点将在于企业物联网的应用。本书是一本向商业和技术专业人士提供与供应商完全无关的框架的实用指南。企业物联网应用很复杂且没有框架，它可能很难将理想与现实分开。对于框架的五个层次设备、连接、采集、学习、应用中的每一个，本
3、书将涵盖几个在现在和未来都很重要的关键原理。作为实用指南，本书还希望能让读者了解这些原理在当今世界中的一些实践。最后，本书将把所有五个层次结合在一起，并带读者了解近期建造精密机械的案例，以及这些案例对现代基础设施的影响，包含电力、水务、农业、交通和医疗保健几个方面。1 .经济学在开始之前，我们需要了解的是由于计算经济学的根本性转变才让我们有机会建立精密的网络以及更精准地操作它们。企业应用（例如财务、销售、营销、采购、工资、人力资源管理）向云的转移是由经济学的一个数量级的变化推动的。这是因为企业应用的真实成本不是购买价格，而是管理应用和支持应用的所有硬件和软件的安全性、可用性、性能和替换的成本。
4、一个简单的经验公式是，管理企业应用的成本是每年购买价格的四倍，这意味着在四年内，将花费16倍的购买价格来管理应用。最主要的管理应用的成本便是人力成本。尽管在工资较低的国家进行管理会降低成本，但仍有一个限度。企业应用云服务的成本已显著降低，这是由于企业应用己经使其流程和基础设施标准化，并让其安全性、可用性、性能和替换的管理变得自动化，即用计算机替代人力。同样的原理现在被应用于计算和存储基础设施，这也使得成本大幅降低且灵活性增加。笔者几年前开始在中国的清华大学讲授一门关于云计算的课程。为了支持该课程，亚马逊的AWS团队非常友好地捐赠了价值3000美元的计算时间。当时，这些钱可在北弗吉尼亚购买一个小
5、型服务器，可使用3.5年，有趣的是这没有使得任何一个学生兴奋。但当学生知道，3000美元也可以购买100Oo台计算机的30分钟使用时间，每个人便开始思考。2 .物联网不同于人联网大多数第一代和第二代企业软件关注的都是人（个体或团体）。从事企业软件开发和应用的人必须这样做，因为这些应用程序必须做一些对人有用的事情，例如帮助人们购买一本书，发布采购订单，招聘更多员工或与他人进行沟通。但设备不同于人，这是很明显的，下面讨论三个设备与人的根本区别。1）设备比人多得多互联网上有关于多少设备将连接起来的一些声明。思科公司前首席执行官约翰钱伯斯（JohnChambers）宣布，到2024年将有5000亿件设
6、备连接。这个数字几乎是全球人口的100f三o2）设备能告诉人们更多数据人们主要通过键盘来向应用程序传递信息，大多数应用程序则通过类似于简单数据量收集的方式获取每个人的信息。设备拥有更多的传感器。一个典型的手机有近14个传感器，包括加速度计、GPS和辐射探测器。像风力涡轮机、基因测序仪或高速插入器这类的工业设备常有超过100个传感器。3）设备可以不间断地给出信息来自人联网（IoP）应用程序的大多数数据都是鼓励人们购买东西或是招聘过程的一部分。总之，人们不经常将数据输入到电子商务、人力资源（HR）、购买商品、客户关系管理（CRM）或企业资源规划（ERP）的应用中。与之不同的是，公用电网功率传感器可
7、以每秒发送60次数据，施工叉车则是一分钟一次，高速插入器可以每两秒发送一次数据。再次说明，设备不同于人。3 .下一代企业软件来自SAP、OracleSiebeKPeOPIeSoft和MiCroSOft的第一代企业应用软件利用低成本的客户端服务器计算，实现关键财务、人力资源、供应链和采购流程的自动化。采用的商业模式是购买软件使用权限后，商家将管理安全性、可用性以及性能和替换的责任与成本交于软件使用者。在2000年，第二代企业应用软件开始使用。它在交付模式上与第一代软件相比发生了根本性的变化。在第二代软件中，软件提供者负责管理软件，并且随着这一变化，软件的商业模式也发生了变化。软件即服务（SaaS
8、）模式的出现，允许客户每月或每年购买服务，而不是提前付清许可费。读者可能听说过来自这个时代的许多供应商，包括SWebEx、TaIeo、SuccessFactorsNetSuiteVoCUs、ConstantContactfDWorkday等。因此，大多数基本功能销售、营销、采购、招聘、福利、会计己经实现自动化。读者可能会质疑这些功能的有效性，但这在很大程度上是一个已经解决的问题。尽管通过CRM或ERP软件来提高运营效率被证明是有效的，但却不是革命性的。只有在零售（如亚马逊）和银行（如eTrade、PayPal）领域中软件改变了商业模式。也许是现在，随着计算经济学的不断变化，通信技术的不断创新和
9、传感器成本的降低，我们可以向第三代企业软件转变，以应对精准农业、电力、水务、医疗保健和交通带来的挑战，从根本上改造企业和环境。4 .物联网物联网与盲人摸象的故事有一定相似性，每个人摸到大象身体的不同部分，就产生了不同版本的大象。这意味着，不同的人对物联网的定义有不同的想法。本书将建立一个涵盖所有物联网应用主要组件或部件的框架（包含示例）。它是一个五层、供应商中立的框架，可供技术人员和商业人员使用。此框架下，第一部分由多组原理和实践章节组成。原理章节旨在描述基本技术原理。如果读者是机器学习或网络方面的专家，这些章节看起来会很简单。它们是为了给读者介绍一些基本原理，这些原理是与物联网密切相关技术产
10、品的基础。五个原理章节都有一个实践章节与之对应。在这些章节中，读者将看到能源、农业、医疗保健和交通方面的具体案例，所有这些案例都将说明实践中的一些基本原理。第二部分给出了一系列案例：有设备的制造商和个体用户的情况。例如，农业机械制造商美国艾科集团（AGeO）及使用农业机械的农民NiCkAUgUSt的案例。通过使用精准技术，基因测序仪、风力泯轮机和叉车的制造商可以构建精密机器，这将让他们能以更低的成本提供更好的服务，并且最终在某些情况下从根本上改变他们的商业模式。对于那些在公用事业、航空公司、医院和农场方向使用这些新型精密机器的人，他们将能够降低运营成本，提高服务质量，并在许多情况下提高产品的寿
11、命和安全性。在一个人口不断增加并试图提高人民生活水平的世界中，让地球转变为一个更精准的星球将对每个人都有好处。二物联网架构无论是搭建、购买、出售或是投资于能够实现企业级物联网应用的技术，都需要对物联网的体系架构有所认识，才能更好地了解网络的不同部件或部分。尤其是商业人士和科技人员，应当深入理解物联网的体系架构。此外，当有多方参与、组建物联网时，提供一个独立于供应商的框架十分重要。本章关注物联网体系架构，将其主要分为五层：设备、连接、采集、学习和应用。然后，举例介绍一些提供物联网部件（但不是全部）的公司，并将其与系统框架相对应。除此之外，本书也会介绍其他物联网相关产品。1 .物联网架构物联网的第
12、一层由设备组成（见图2.1）。本书中将不加区分地使用事物、机器和设备的说法。事物主要指可通过不同方式连接到物联网的机器本身。一旦与网络连接，采集技术可采集数据，并将其以每小时、每分钟或每秒的时间序列发送。第四层为学习层。传统的人与人连接的网络应用中，只有用户输入信息才产生数据。然而物联网应用持续产生数据，有史以来我们第一次可以利用机器学习人类世界，如医院、矿井或农场等。最后，我们应该知道，这些技术有什么意义？有什么商业价值？应用层描述了软件应用技术和商业模式，主要受构建和使用物联网的公司的影响，如医疗、运输和城市建设服务等。图2.1物联网架构1）设备企业中的设备，如基因测序器、机车或水冷却器，
13、都呈现日益智能化且接入网络的趋势。在组建或购置下一代机器时，需要考虑传感器、CPU结构、操作系统、程序包、安全等问题。传感器服从摩尔定律，其价格逐年显著下降，因此被更多地添加到低成本计算机上。计算机包括简单的微控制器到具有完备功能的CPU,支持ARM或InteI的指令构架。当处理器的性能增强时，可支持功能强大的软件，而软件则成为进一步发展的瓶颈。2）连接设备可以通过不同方式连接到互联网。基于所传输的数据量、传输距离、能量限制等，需要采用不同的连接技术。此外，可以从网络高层采用不同方案管理连接，保证连接的安全性。3）采集设备与人的连接不同。物联网产生的绝对数据量将以指数量级超过传统网络应用的数据
14、量。物联网数据可通过SQL、NoSQL、传统或下一代时间序列采集架构收集存储。4）学习随着物联网数据量的增加，需要对数据进行学习和分析，相应工具包括查询技术、有监督及非监督的机器学习技术等。由于此前主要关注的是传统网络应用，现有的机器学习方法主要适用于学习人产生的数据。在物联网中，机器学习技术仍存在很大的发展空间。5）应用如传统网络应用一样，物联网应用中将存在打包的应用程序（如ERP、CRM）和中间件程序。当然，无论是购买还是自己搭建，构建物联网应用的最终目的都是要带来经济效益。当机器变得更加复杂，要由软件来支撑时，机器服务的管理可借鉴传统的软件维护服务中的经验教训。业内人士都知道，软件即服务
15、已经改变了整个行业。以下介绍5个供应商的例子，来解释物联网体系架构和实际产品的对应关系，这5个供应商提供了许多（并非全部）的物联网部件。本节的主要目的是举例说明各供应商之间的相似和不同之处。2 .机器生产公司通用电气（GE）公司的前副主席DanieIHeintZelman在笔者的斯坦福课上做了一个特邀报告。在这个报告中，他提到，我们也许知道GE公司前总裁和CEoJaCkWeIeh对GE公司的影响，但并不知道WeICh如何坚持将GE公司由仅提供机器（例如引擎）的模式改变为同时提供机器服务合同的模式。通过这样的改变，GE在2014年通过机器服务合同收入了接近50亿美元，并且在2014年年末通过多年
16、服务合约得到189亿美元的收入。GE公司的现任CEOJeffImmelt意识到服务主要是由软件和信息支掾的，从而在2011年巨额投资了软件团队，并雇William(Bill)Ruh作为领导。这个成亚于力口州SanRamOn的软件团队，目前已经开发了名为PrediX的工业互联网应用平台，如图2.2所示。图2.2 GE工业互联网构架工业应用1WUL与传统的软件公司不同，GE公司生产机器。例如，GE公司最新的燃气涡轮机重约400吨，有3000个传感器并可以为40万个家庭供电。但如今，GE公司也开发软件。例如，该公司开发的PrediX机器是独立于设备的软件栈，可用于连接机器和互联网，可将不同传感器和设
17、备的数据传到PrediX云中。PrediX数据服务器可收集数据，可提供时间序列服务，同时也支持企业级SQL-On-HadOOP分析引擎。PrediX分析服务进行数据的分析和学习，同时在商业应用中也提供了开发和嵌入高级分析功能的框架。Predix也包含中间件软件，如PrediX安全服务和一个Ul开发软件。最后，应用部分包括资产、事物和机器模型。PrediX资产服务提供资产创建和存储服务，例如，开发者可创建描述组织中所有泵的逻辑组件结构的资产模型，以表示每个泵。有很多像GE这样的公司(如BoSCh和SChneiderEleCtriC等)这些公司生产机器，开发软件增强机器性能，且将软件应用提供给用户
18、。3 .非机器生产公司PTC公司是非机器生产公司的例子。PTC公司已经在两个商业领域占有一亿美元的市场：计算机辅助设计市场和产品生命周期管理市场。PTC公司有接近25万个CAD应用用户和1600万个PLM应用用户，利润各占一半。为了促进公司发展，PTC公司十分重视物联网软件的应用发展。基于其现有的用户群，PTC公司在将其产品投入市场的过程中有明显优势。最近，PTC公司的CEo表示公司销售额将超5千万美元，且增长率将达40%。JPMOrganChaSe的SterIingAUty说，“认购过渡的趋势将重现，事实上，我们2016年最看好PTC公司的股票，其正在进行这样的过渡，且会从物联网快速长期的发
19、展中收益。”在2014年11月哈佛商业评论的文章中智能化可连接的产品如何改变竞争格局，哈佛教授、PTC公司董事会成员MichaelPorter和PTC公司CEOJimHeppelman,给出了PTC公司的观点及新型挑战下公司的十个战略性选择，总结为：智能化可连接的产品正在改变为顾客创造价值的方式、公司竞争的方式以及竞争本身的边界。这些转变将会直接或间接地从根本上影响所有的行业。然而，智能化可连接设备的影响力远大于此，它将影响整个经济的发展，为公司、顾客和全球经济带来下一代以IT为驱动的生产力增长。PTC物联网架构如图2.3所不。1II,产品云PKAxeda.TldngWorx规则:分析引擎Ih
20、ingWBX应用 IF JuTlungWorx产品色摆什 Rl C Axcda刈络通治PIC Axedar/tl,1fr图2.3PTC物联网架构PTC公司并不生产设备，但是，用于产品生命周期管理的应用WindChin以及CAD应用Creo,均可应用于下一代机器的设计生产。基于云服务和软件，PTC公司的AXeda应用可为连接的设备提供基于云的服务和软件，并提供数据收集服务。另一个收购产品，Coknight是PTC公司机器学习技术的基准。Coknight的神经元可进行数据分析、模式识别、建立统计预测模型，并可将信息发送到几乎任意一种应用和技术。最后，相关应用的中间件利用来自ThingWorX的数据
21、协助搭建数据处理系统。ThingWOrX已被用于基于预测的维护和系统检测等，PTC公司表示和传统技术相比，该类应用显著提升了应用开发的效率。4 .工业GE公司和PTC公司代表了两个进行大规模软件开发投资的大型公司，后面的章节将讨论其他物联网供应商，包括设计开发机器设备、物联网连接解决方案、数据采集、数据学习、应用等。如其他任何新兴领域一样，云计算、物联网行业既有老牌厂商也有创业公司。本书不讨论所有公司，但希望读者可了解到有哪些物联网公司，哪些公司未来更具发展潜力。图2.4给出了一些后续要讨论的公司。gajzhe三e3三卫IF温li想戏s8ACLG.mnw，:犍砥八TG*Fr)cccFtrdjm
22、i晒我作或湍*Hlumma*lntorvniZo-o-(WTMH-UaocoPitneyBowesgoldwinde5rSsmex,图2.4物联网工业示例5 .总结在后面的章节中，本书将采用设备、连接、采集、学习、应用的物联网架构。首先，本书对每一个部分进行介绍，讨论其基本原理及其实践应用。最后，本书将讨论精准农业、电力、供水、医疗、运输等领域中，精密设备制造及应用的完整方案。三设备的原理企业级物联网设备（如基因测序器、机车或水冷却器）正在变得更加智能化和可连接化。本章介绍搭建企业级物联网设备的一些基本原理。传感器服从摩尔定律，其价格逐年显著下降，因此被更多地添加到低成本的计算机上。这些计算机
23、包括简单的微控制器到具有完备功能的CPU,支持ARM或ImeI的指令构架。具有增强性能的处理器可支持功能更为强大的软件，因此本章介绍一些基本的操作系统。最后，讨论一些搭建企业级物联网需要考虑的基本安全问题。1 .传感器现有传感器有数百种之多，本节以手机为例介绍更详细的内容，如最常用的传感器之一加速计。加速计用于测量手机相对于自由落体的加速率。相同的传感器可用于确定设备沿其三个轴的姿态。基于此数据，手机应用可推断手机表面是向上还是向下。另一种提供姿态信息的传感器是陀螺仪，其精度更高。这种特殊的传感器，可测出手机被旋转的方向和角度数值。另一种常用的传感器是磁力计。磁力计测量的是磁场强度和方向，可应
24、用于罗盘程序及金属探测。接近度传感器的工作原理是发射红外光束，经物体反射后由检测器接收测量。接近度传感器安装在手机的听筒附近，探测用户是否在通话，从而在通话时将手机屏幕关闭。手机也安装有测量周围光强的光感器，可用此数据自动调整屏幕的亮度。有些手机有内置的气压计，可测量大气压力。气压计可用于确定其海拔高度，从而改进GPS的精度。每部手机内都有一个或多个温度计。当手机某个部分过热时，系统会自行关闭，以防止损坏。三星手机GalaXy率先在手机内安装空气湿度传感器，应用此数据的程序可告知用户是否处于舒适区，即空气温度和湿度皆最佳的状态。计步器是用来测量用户已走步数的传感器。有些手机只使用加速计的数据测
25、量用户步数，但专用计步器更加精准、省电。包括谷歌NeXUS5在内的少量手机装有内置专用的计步器。如GalaXyX5等一些手机，有心脏速率监视器，通过检测手指内部血管每分钟的搏动来实现。此外，大多数苹果用户了解指纹传感器可替代锁屏密码。最后，辐射传感器并不太为人所知。SharPPamOne5程序测量当前环境的辐射强度。加上麦克风和相机，手机共有至少14种不同的传感器。然而，如下文中将介绍的，这仅仅是可用传感器的一小部分。2 .计算机结构所有的智能可连接设备都包括某种可运行软件的中央处理器（CPU）。由于设备本身可能受限于能耗、尺寸和成本，CPU基本架构设计需考虑一些折中关系。在最基本的层面，多种
26、微控制器都具有简单的指令集但存储空间有限，通常能耗较低。例如ArdUino,采用由AmteI制造的8b的ATmega系列微处理器。尺寸更小、价格更低、而功能更简单的设备可采用微控制器。下一步研究趋势是，基于ARM或Intel完善物联网设备的特定指令集。ARM是一种采用简化指令集的计算机（RlSC）,要求使用比个人电脑的典型IntelX86处理器少得多的晶体管来实现指令集。因此，此方法可降低成本、处理器温度和能耗。RaspberryPi基于32位的ARM处理器而实现。目前手机和平板电脑中广泛使用的APPIeA7则是由苹果公司设计的一种64位的ARMCPU处理器。尽管ARM应用广泛，Intelx8
27、6结构仍然在服务器和笔记本电脑中占主导地位，从而有大量可用的相应软件和开发工具。IntelAtom则是Intel公司开发的超低功耗微处理器品牌。3.软件在一个特定设备上，软件可通过多种不同的操作系统或运行环境执行。需要基于软件的内存占用、开发环境和实时性等要求来决定使用哪种系统。1）内存占用计算中，可执行程序的内存占用指的是程序运行所要求的时间及内存。大型程序要求更大的内存占用。软件程序本身并不是内存占用的唯一原因，而运行环境的指令可能增加内存占用。例如，在一个JaVa程序中，内存占用主要是由于JaVa虚拟机运行环境所引起的。2）软件开发环境软件开发环境又被称作集成开发环境，是为计算机编程人员
28、开发软件提供综合性平台的软件。软件开发环境通常包括源代码编辑器、自动化编译工具和调试器。ArdUino平台提供了一个开发微控制器集成开发环境，可支持C、C+和JaVa编程语言。当构建企业级物联网时，需要为编程人员选择合适的集成开发环境。3）操作系统操作系统也称为运行环境，包括一组被许多应用程序所共用的软件。传统互联网中，为用户所熟悉的操作系统包括LinUX、微软的WindOWS等。在物联网应用中，可能会需要实时操作系统。实时操作系统（RTOS）可服务对延时要求严格的应用程序。处理延时的要求（包括操作系统延时）通常为十分之一秒甚至更短。实时操作系统的一个典型指标是它接收任务和处理应用任务的时间一
29、致性的程度。实时操作系统的关键参数是最小中断延时和最小线程切换延时。衡量的标准是反应的敏捷性和准确性，而不是能够在给定时间内完成多少任务量。WindRiVer是一家主要为实时处理提供实时操作系统支持的公司。当然随着处理器处理速度的提升和智能化应用的推广，传统系统可能会被应用于很多场合。4 .安全关于物联网讨论中有大量安全方面的问题，本章重点关注软件的安全性和完整性问题。通常,很多其他的安全问题也是由于软件方面的问题所导致的。1）安全启动当机器通电时，首先运行的软件是“启动”。安全启动阻止非法电子签名的程序加载，以保证整个启动进程的安全性。安全启动的原理是将一个秘钥写入固件，而秘钥写入固件后，安
30、全启动则只允许具有秘钥的软件运行。2）无恶意软件广为人知的是个人笔记本或计算机的防毒软件。防毒软件用来检测可能危害电脑的恶意软件。经典的例子是震网（StUXnet）病毒，最终控制了伊朗铀浓缩工厂的离心机。Stuxnet针对的目标是广泛应用于控制机的可编程逻辑控制器（PLC）,而离心机则是用来分离核材料的控制机。StUXnet通过微软的WindoWS操作系统和网络，进而侵入了西门子Step7软件。据报道，SuIXnet毁坏了伊朗接近五分之一的核离心机。3）所有安全软件补丁是为了更新电脑软件的软件，有些补丁是为了提高软件可用性或性能，而有些则是为了修复软件的安全漏洞。补丁管理程序决定哪些补丁应该在
31、何时用于哪些操作系统。在物联网应用中，如VMWare、甲骨文和微软等公司每年发布上百项相关的安全补丁。5 .封装这是电子工程领域的基本原理，包含了广泛的技术。封装必须考虑机器损耗、制冷、无线电频率噪声、和静电放电等问题。少量工业设备可能使用可用的标准化商业外包，如插件箱、预制框等。大众消费市场可采用高度专业化的封装来吸引用户。片上系统（SoC）是一种常用的封装技术，可将电脑或其他电子系统所有部件都融合到单片半导体芯片的集成电路上。片上系统可能包括数字、模拟、混合信号和常用的射频功能。片上系统与微处理器的区别在于，微处理器的内存通常低于IooKB,而片上系统内存通常大得多，需要支撑功能强大的操作
32、系统（如LinUX）。当无法专门为某个应用构建片上系统时，可使用包含了多个芯片的系统级封装（SiP）作为替代方案。通常而言，相比于系统级封装，片上系统有更高的成本效益，因为片上系统提高了制作的产率且其封装更为简单。下一章将给出几个当前企业级物联网的例子。四实践中的设备现在的手机可以有14个传感器，而且用100美元就可以买到一台功能强大的计算机。这两点有助于解释为什么企业的设备正在变得越来越智能。本章将介绍儿个机器方面的例子，以及它们正在变得智能的几条途径。1 .风力发电机下一代电网将包含可再生能源发电。大型风力发电机能够产生6MW的电量，而费用高达280万美元，且重达450吨，其转子便有55吨
33、，自然是不小的机器。因此，也许读者并不会感到惊讶，在这些每一台风力发电机中均有HP英特尔服务器与EMCVNXe存储系统。像VeStaS这样的公司拥有超过50000台风力发电机，而SenVion则管理着超过6000台机器。令人惊讶的是，这些风力发电机相互连接的比例非常高。风力发电机最多可有多达400个传感器。这些传感器可以提供风速和风向、叶片的旋转速度、功率、元件温度、振动、噪音水平等信息。虽然数据以两秒一次的速率进行采样，但却是每十分钟通过VPN保护的网络上的DSL或ISDN打包并传输到云端。所有的功能都使用内嵌的英特尔服务器控制。系统运行的是WindoWsCE,用于收集和处理的所有数据，检查
34、输入数据并与云端连通。安全性、测量技术以及状态监控系统是风力发电机软件的一部分。2 .农业机械种植谷物来供人食用是人们生活的一个重要组成部分。农民使用各种各样的机器来辅助耕种。播种机能够挖出小洞然后在相同距离上和特定深度的位置播下种子。同时也会让种子被土覆盖，确保萌发过程顺利并且不被鸟吃掉。农作物需要化肥，这可以使用撒肥机完成。它的基本工作原理很简单：在一个水平的旋转圆盘上装有一个大漏斗，漏斗中的肥料便通过这种方式向外播撒。最后便是收获庄稼。联合收割机是收割粮食作物的机器。这个名字来源于三个独立过程的结合：收割、脱粒、筛选。收割是谷物秸秆的切割；脱粒是将谷物与秸秆进行分离，此项工作过去是通过不
35、停摇动来完成的；筛选是将小麦抛向空中使其与谷壳分离。越来越多的这些设备开始配备传感器。其中机械数据包括了油压、头部高度或转子速度，农业数据则有含水量或含氮水平。AGCo在全球制造许多不同种类的设备，并且已经设计了可以连接到任何机器的硬件模块。该AGCO连接模块(ACM)是由AGCO和APPareO的合资企业开发的，是所谓的智能农业解决方案的一部分(IAS)。该模块提供传感器接口以及2G、3G和卫星通信的接口。未来，ACM也将成为所有新AGCO机器默认的硬件选项。ACM同时具有云基础的软件，为农户和经销商提供订阅服务。比如说，新的季节来临时，经销商的技术人员可以帮助农民提前设置机器的操作类型。这
36、将让机器在前往农场时，只需微小的调整便可投入使用。此外，公司还提供服务以确保机器准确地记录农业数据。3 .临床血液分析仪血液分析仪在患者和研究中应用广泛，主要用于计算和分析血细胞来进行疾病的检测和监控。基础的分析仪返回全血细胞计数（CBC）和三部分微分白细胞（WBC）计数。精密分析仪测量细胞的结构以及检测小细胞群来诊断罕见的血液疾病。在血液分析仪中使用的三项传统物理技术是：电阻法、流式细胞术和荧光流式细胞术。这些方法通常与化学试剂结合使用，这些试剂能改变血细胞来增强其可测量值。计数细胞的传统方法是电阻法，被用于几乎所有的血液分析仪中。所有血液都会通过一个只能容下单细胞的狭窄小孔，小孔边上有两个
37、电极。细胞穿过时，电阻会发生变化。电阻的变化正比于细胞体积，因此可以对细胞计数和体积测量。由于昂贵试剂的使用，激光流式细胞仪比电阻分析仪贵，但能返回有关血细胞结构的详细信息。多个角度的散射光测量可用来确定细胞的间隔尺寸、直径和内部复杂性。这些特征与人们平常能从幻灯片上看到的一样。添加荧光试剂增加了流式细胞仪测量特定细胞群的功能。荧光染料揭示每个染色细胞的核血浆比。当然使用这些试剂增加了分析成本。目前有多种来自不同供应商的机器，有些是被大型诊所使用。SySmeXXE-5000以每小时150个样本的速率报告31种全血参数，而它的低端产品PoCH100每天只能报告25个样品。某些分析仪，如BeCkm
38、anCOUIterLH780,能够读取条形码标签并且有向其他人提供所存储大量分析结果的功能。小型台式分析仪可以用直方图的形式存储IOoo名病人的结果。HoribaABXPentraDX120SPS则能存储90OOo个病人的结果。4 .高容量邮件插入器如果需要发送大量的实体邮件，如大型银行发月结单，需要向信封中插入该结算单。PitneyBoWeS创造了一件称为史诗插页器的高容量插入器，它可以每小时22Ooo封的速率填塞信封，同时还允许快速转换为其他格式。该插入器由几十个伺服电动机控制，并有上百个传感器来监视邮件的流动和向控制系统提供反馈。具体而言，其中一些传感器提供电动机的RPM、电动机轴的位置
39、、邮件材料的速度（白纸、信封、邮件物品）、位置和邮件材料、材料厚度和重量、气压和真空度，其中空气是用来控制机器的。传感器都连接到本地进行计算和存储。本地设备由一台或多台机器中的工业PC组成。它们联网在一起共享数据和对机器的同步控制。目前的电脑是英特尔处理器、4GB内存和5（）OGB硬盘驱动统一安装在19英寸的机架上。计算机运行的操作系统是微软WindoWS7与RTX0RTX是由InterValZero提供，用于为控制运动提供实时扩展。为了安全起见，他们使用TrendMicro的杀毒软件。5 .机车纽约空气制动公司（NewYorkAirBrake,NYAB）在铁路行业一直是国际领先供应商。它做了
40、125年的制动系统和零部件、训练模拟器以及列车控制系统。NYAB的系统与机车的车载电路集成在一起，通过驾驶室内的显示屏给机车司机提供实时的信息和指导。NYAB系统部署在三个硬件平台上。对于美国1类市场，它们使用由WabteC提供的设备。它采用500MHZ的英特尔处理器与256M内存，具有512MB固态存储和QNX操作系统。其中，QNX是BIaCkbelTy的子公司。第二个平台是EMD机车。在该种机车内，NYAB软件由DeUta-Werke公司制造的计算机运行，并直接与机车系统进行交互，利用现有的传感器而非添加自己的传感器。DUeta-Werke公司的硬件和软件平台与WabteC基本一致。最后的
41、平台QuadC,用于国际和美国短线铁路。QUadC由美国国家仪器公司的ComPaCtRlo与QNX系统组合构成，NYAB提供所有的传感器并汇集所有数据。ComPaCIRlO系统运行于单片系统芯片，该芯片采用XilinXZynqARM结构下，采用的操作系统为美国国家仪器公司开发的特殊实时LinUX系统。美国国家仪器公司在企业物联网平台构建中遇到了很大挑战越来越先进的芯片组如何在高温且没有风扇散热条件下运行。而且考虑到这些列车的服务寿命，这些部件必须能运行10年甚至更长时间。可以使用的传感器数据包括制动缸的PSl(施加到机车的制动液缸的压力量)、制动管的PSI(机车的制动管的当前PSD、均衡储液器
42、的PSl(机车上用于调节制动管的小型储液器)、制动管的空气流量计(制动管中空气质量流速的测量仪表)数据、牵引电动机的电流和电压、速度、发动机转速和位置。传感器通常每秒记录一次数据，但某些数据每秒五次采样。NYAB有超过4000套系统部署在各地。6 .建筑设备建筑设备包括发电机、焊接机、剪刀式升降机、高空作业平台和灯杆等。这些机器用得越来越多，SAEJl939也成为了通信和诊断标准。产生于美国汽车和重型卡车行业的SAEJ1939标准现己广泛应用于世界各地。此处是一些发电机可用的数据类型： 安培相位A(ST_AMPS_A)； 蜂窝信号百分比(CELL.SIGNAL)； 发动机冷却液温度(ST工OT
43、E)； 发动机机油压力(ST_OIL_PR)； 燃油液位(FUEL_LEVEL)； 最后一次通信时间(COMMJnME)； 上次数据采集时间(LASTj5ATA)； 低冷却J液温度(AL_COTE_LOLO)； 总KW(ST_KW)； 电压相位A-B(ST_VOLT_A)o当许多原始设备制造商(OEM)开始提供自己的传感器和本地计算时，一些建筑租赁公司也在标准化自己的设计而不是去采用销售商多种多样的解决办法。对于3000不同类型的机器的情况，这将有很大的意义。像CalAmP那样的公司提供像LMU-5000那样的产品，LMU-5000是许多不同类型的物联网标准化的核心组成部分。LMU-5000采
44、用32位400MHZ的ARM处理器与128M的闪存。此外，它运行LinUX操作系统并提供如TCP/IP、HTTP和VPN的更高层服务。所有的这些部件都会被封装起来提供给需要应对在温度、湿度、冲击和振动等方面具有挑战性的建筑环境。7.未来展望设备和机器都将变得更加智能。如今不至“00美元就可以使用具有512MB内存的IGHZ的ARM架构处理器以及2GB的闪存的计算机，且计算机只比几个硬币略大。此外，还配有完整的LinUX发行版以及WiFi和蓝牙连接。这种计算机可以连接128个传感器，使我们在传感器上花费的成本迅速下降。今天价值十美元的传感器在未来可能只需一美元。一台加速度计在今天也不值3美元。当
45、然，上一代我们以百万级的元器件做出来的东西称为PC,在硬件方面是由英特尔主导，而软件方面是由微软主导的。这一次还会一样吗？有一件恒久不变的事情是要确保设备的安全。这一直是一个你追我赶的游戏，因为大多数情况下，我们当初设计设备时并没有预测到连接到全球网络的危险性。或许这一次，我们应该设计能够自己保护自己的机器。五连接的原理设备间的连接需要很多种技术基础：传输的数据量、设备连接的距离以及能提供的能量。此外，必须更深层次地考虑如何管理、保护连接和确保其安全。本章会提供连接机器的简短教程以及一些基本原理。如果读者从事网络方面的工作，可以跳过本章。1 .网络基础如果读者熟悉网络，那肯定了解QSl堆栈。开
46、放系统互联（OSl）堆栈是描述电信或计算系统通信功能特征和标准的概念模型，不依赖于具体实现的内部结构和采用的技术。其目的是支持相同标准协议的不同通信系统之间的互操作。该模型将通信系统分割成抽象的层次，原始模型定义了七层结构（见图5.1）。图5.1OSl模型每一层在向上层提供服务的同时也接受来自下层的服务。例如，通过网络提供无差错通信的层为它上面的应用程序提供需要的路径，而它调用下一个较低层来发送和接收包括路径内容在内的数据包。此堆栈是一个有用的框架，来说明从纯电平的物理层级到应用层级的所有不同层级中的连接。本章将着重在数据链路层级和更高级别的应用层级。2 .数据链路层数据链路层提供节点到节点的
47、数据传送，也即两个直接连接节点间的数据的传输。它检测并尝试纠正在物理层可能出现的错误。它定义了两个物理连接设备之间的连接建立和终止相关的协议，并定义其流控制的协议。数据链路层负责控制网络中的设备接收数据和发送数据的权限。它也负责识别和封装网络层协议以及控制错误校验和包之间的同步，包括以太网、WiFi和ZigBee在内的连接技术都在数据链路层进行操作。3 .传输距离与功耗的关系因为位置或其他原因，在有些情况下可能需要用无线技术把设备物理连接到互联网。无线技术有很多种选择，如WiFi、3G、4G、ZigBeeNFC、LoRaWan、卫星等。选择哪种策略取决于几个相关的基本原则：功耗、传输距离要求、数据传输速率、成本、天线的规模和环境。图5.2比较四个不同连接技术的传输距离和功率消耗。无线网具有30100米的传输距离,需要比蓝牙（具有10米的最大传输距离）或NFC（传输距离小于0.1米）大得多的功耗。无线信号会以距离的平方衰减。换句话说，如果需要加倍的传输距离，则会要求增加四倍的功率，这意味着需要更大的电池。一些应用可能可以在封闭、专有的无线网络中进行操作。举例说，MCCrometer水传感器使用的是已分配给该类型通信的56048
