物聯網平臺構架系列 （四）：Amazon, Microsoft, IBM IoT 解決方案導論 之 平臺

最近研究了一些物聯網平臺技術資料，以作選型參考。腦子裏積累大量信息，便想寫出來作一些普及。做爲科普文章，力爭通俗易懂，不確保概念嚴謹性。我會給考據癖者提供相關英文連接，以便深刻研究。

      —— 馮立超 HiwebFrank

4. 平 臺

    因爲物聯網的地域分佈廣、設備數量衆多的特色，物聯網解決方案必須藉助公有云平臺來實現。

    物聯網解決方案須具有以下功能：

     - 從設備收集數據

     - 分析運行中的數據流

     - 存儲和查詢大型數據集

     - 實時和歷史數據可視化

     - 與後端業務系統集成

     - 管理設備

    咱們用一個簡單的圖示來講明物聯網解決方案構架，下圖是微軟給出的一個與廠商無關的物聯網解決方案通用示意構架：

    該簡化構架包括 設備鏈接、數據處理與分析、信息呈現 三個層面。

    該構架中，物聯網設備收集數據並與雲網關交互；雲網關使其它後端服務能夠處理這些數據，從雲網關，數據提交給其它業務應用程序或儀表板操做人員及其它展現設備。

• 設備鏈接

    如何讓設備安全可靠地鏈接到解決方案後端，是物聯網解決方案所面臨的巨大挑戰，相比於其它系統，物聯網設備有以下一些特色：

     - 一般是無人操做的嵌入式系統甚至是沒有操做系統的設備

     - 可能部署到物理訪問成本高昂的遠程位置等各類部署場景

     - 可能沒法經過其餘方式來與設備交互，而只能經過解決方案後端來訪問

     - 供電及運算資源可能都有限

     - 網絡鏈接可能不穩定、緩慢或高成本

     - 可能須要使用專屬、自定義或行業特定的應用層協議

     - 可使用大量常見的硬件和軟件平臺來建立

    除上述特色以外，物聯網解決方案還必須考慮可擴展性、安全性和可靠性。傳統的技術如Web容器或消息傳送代理等不足以支撐這樣的需求。

    爲此，物聯網平臺廠商都提出本身的解決方法，如微軟的 Azure IoT Hub 及 Azure IoT SDK 等。關於 Azure IoT Hub 請參見上一講相關內容。

   有關設備鏈接的多種狀況，微軟給出的概念構架圖以下：

 

• 數據處理與分析

    在物聯網解決方案中，數據處理與分析主要交由在公有云上的後端服務進行，包括設備數據篩選、彙總、路由到其餘服務等等。後端服務主要負責以下工做：

     - 接收來自設備的大規模數據，並肯定如何處理和存儲這些數據

     - 必要時能夠從雲端向設備發送數據或指令

     - 設備註冊、預配置及安全鏈接控制

     - 跟蹤設備狀態並監控設備活動

     - 存儲和分析設備歷史數據，從而實現設備預見性維護

     - 與設備進行交互，實現反饋控制等

    固然，並非全部的業務都必須交由雲端處理，例如一些必須及時響應的操做好比緊急剎車，這些處理及操做都必須在設備端直接進行；另外，設備也能夠進行一些預處理，從而提升效率、下降數據傳輸量。

    爲此，設備自己應該具有一些處理能力。

    微軟的 Windows 10 IoT Core，提供了強大的設備端計算能力；

    而亞馬遜的 Greengrass，則使物聯網設備能夠運行 AWS Lambda 函數、同步設備數據以及與其餘設備安全通訊，甚至無需鏈接互聯網。Greengrass 可確保物聯網設備快速響應本地事件、運行時採用間歇性鏈接，並最大程度地下降將物聯網數據傳輸到雲的成本。

    華爲的 LiteOS，則強調輕量級、低功耗（一個鈕釦電池用好幾年）、快速啓動（毫秒級）及響應（納秒級）、多種鏈接協議（廣域/局域）等特性。

    另外，一些物聯網設備，也能夠經過徹底自主研發的芯片，實現相關數據採集與處理。

    好比圖像火災監測設備，能夠將圖像火災分析算法集成在設備芯片中，由設備芯片中的算法進行判斷，僅將是否發生火災的斷定結果傳輸到雲端。

    而對於較複雜的圖像、或者誤判圖像，則將圖像數據及其設備端斷定結果傳到雲端，經過機器學習，逐步改進算法，提升圖像處理能力，並經過物聯網對設備進行升級操做。

• 信息呈現和業務鏈接

    信息呈現和業務鏈接層 用於展現和操控從設備收集的數據。它可以讓用戶查看和分析從其設備收集的數據。 這些視圖能夠採用儀表板或 BI 報表的格式，以顯示歷史數據和/或接近實時的數據。

    此層還可實現物聯網解決方案與現有業務應用程序的集成，以鏈接企業業務流程或工做流。 例如，圖像火災監測系統，在發現監測設備故障信息後，經過與維護服務商現有的運維計劃系統集成，能夠預定工程師到現場進行檢查。

    下圖是微軟提供的一個物聯網工廠的應用界面樣例。

    在該界面中，儀表板左側展現了生產線細節信息。如儀表板左側第一條，提示機械臂嚴重警告，而在儀表板中部的模擬界面中，一樣用紅色標出機械臂警告位置。在右側的報警欄，列出不一樣時間點的警告信息，如機械臂溫度警告等。而在儀表板下方，則展現該條生產線的總體效率信息。

    

• 微軟物聯網解決方案構架
  
  

    下圖是微軟物聯網解決方案的較詳細的構架圖：

    微軟的物聯網解決方案平臺，經過微軟的公有云 Azure 實現，即 微軟物聯網套件 Azure IoT Suite。設備經過 Azure IoT Hub 註冊和接入，而後可使用微軟公有云 Azure 的各類強大的數據處理、存儲、分析、機器學習能力，構建所需的各種物聯網業務。

    微軟物聯網解決方案一般至少會使用到以下服務：

     - Azure IoT Hub： 該服務提供設備到雲和雲到設備的消息傳送功能，並充當雲和其餘主要 IoT 套件服務的網關。 該服務使得能夠從大量設備接收消息，並將命令發送給設備。 使用該服務，還可以管理設備，例如，能夠配置、重啓鏈接到 Azure IoT Hub 的設備，或對其執行恢復出廠設置操做。

     - Azure Stream Anzlytics： 流分析提供運行數據分析。 該服務處理傳入遙測數據、執行聚合以及檢測事件。 以及處理包含元數據或來自設備的命令響應的信息消息。 解決方案使用流分析來處理設備消息，並將這些消息傳送給其餘服務。

     - Azure Storage 和 Azure DocumentDB： Azure 存儲和 Azure DocumentDB 提供數據存儲功能。 解決方案使用 Blob Storage 來存儲設備遙測數據並使其可用於分析；使用 DocumentDB 來存儲設備元數據，以及啓用解決方案的設備管理功能。

     - Azure Web App 和 Microsoft Power BI： 提供數據可視化功能。 藉助 Power BI 的靈活性，能夠快速生成針對具體業務要求的交互式儀表板。

    微軟還給出了一些預配置解決方案和相關演示案例，有興趣的讀者能夠點擊以下連接，經過實際操做了解上面截圖中的工廠物聯網使用場景：http://www.microsoftazureiotsuite.com/demos/connectedfactory 。

• 亞馬遜物聯網解決方案構架

    而亞馬遜給出的構架以下圖所示：

    亞馬遜物聯網解決方案固然強調其公有云平臺 AWS，而最受其推崇的，天然是當下正熱的 Serverless 構架的 AWS Lambda。

    亞馬遜物聯網解決方案至少用到以下 AWS 服務：

     - Amazon Simple Storage Service：亞馬遜簡單存儲服務，簡稱 Amazon S3,提供可擴展的存儲服務。

     - Amazon DynamoDB：提供受管理的 NoSQL 數據庫服務。

     - Amazon Kinesis：提供大規模流數據實時處理能力。

     - AWS Lambda：在亞馬遜公有云平臺發佈運行自定義代碼。

       ZStack創始人張鑫的文章《Serverless,後端小程序的將來》 比較透徹地講解了 AWS Lambda 及 Serverless 的原理、構架、應用場景、優點和不足，並講述了Serverless與PaaS的區別、與容器技術的區別及聯繫等，推薦一讀。

     - Amazon Simple Notification Service：亞馬遜簡單通知服務，簡稱 Amazon SNS，負責處理通知發送與接收。

     - Amazon Simple Queue Service：亞馬遜簡單隊列服務，簡稱 Amazon SQS，將數據存儲到隊列，由應用程序獲取。

    （看看人家，作那麼大的生意，本星球/本星系第一啊，啥都謙稱爲 Simple 簡單啥啥啥，另外，包括如今 IT 運維領域最重要的 SNMP 簡單網絡管理協議、電子郵件的 SMTP 簡單郵件傳輸協議......；看看咱們，動輒 ×××、擎天、至尊，汗顏啊！慚愧啊！）

• IBM 物聯網解決方案構架

    IBM 的物聯網解決方案名爲 Watson IoT Platform，（永遠的沃森）。其構架圖以下所示：

    IBM 物聯網解決方案基於 IBM 公有云平臺 Bluemix,涉及到的服務至少包括：

     - IBM Cloudant NoSQL DB：用於存儲和訪問設備數據。

     - IBM Message Hub：爲實時數據提供低延遲、可擴展的、高吞吐量的消息總線。

     - IBM Blockchain 集成：對於特定領域，能夠集成 IBM 區塊鏈服務，以符合特定的商業規則要求。

     - 儀表板：利用 Bulemix 提供的數據可視化儀表板，能夠可視化展現設備狀態數據，提供 BI 功能。

    IBM給出了一個簡單教程，能夠快速搭建物聯網測試環境，能夠參見https://console.ng.bluemix.net/docs/services/IoT/getting_started/quickstart/index.html#quickstart 

    本講是本系列文檔的核心，用了比較多的篇幅講了業界領先的廠商的物聯網平臺。下一講，咱們探討安全。