物聯網是一個由三個不同的子系統組成的系統:

·      雲

·      聚合器

·      智慧感測器

上述每一個子系統對於整個物聯網系統的功能優化都是必需的。雲是終極的計算單元和通用通訊網路。智慧感測器是通向現實世界的介面。最後，這些聚合者是中間人。對雲來說，聚合器看起來像智慧感測器，而對智慧感測器而言，它看起來像雲。

系統的特點

系統的概念一直很有趣，這個術語引出了一些問題。例如,"一個系統存在的最小一組功能是什麼?"或者,"一個系統可以由許多其他系統組成嗎?"物聯網是一個系統的系統。它的三個元件(雲、聚合器和智慧感測器)都有自己的系統。此外，任何兩個元件也可以形成一個完整的IoT系統。例如，與聚合器進行通訊的一系列智慧感測器可以成為許多應用的一個最佳系統。同時，智慧感測器直接對雲進行通訊也可以是一個最佳的系統。

然後，三者的區別是它們的具體效能，成本，功耗和規模的考量。特別是:

·      雲系統專注於效能。因此，成本、功耗和規模是次要的問題。

·      聚合系統較少關注效能和功耗，更多地關注靈活性。

·      智慧感測器系統集中在電池壽命、大小和成本上，效能處於第三優先順序。

也許一個示例應用可以幫助把這些系統放到一個維度上:

“智慧咖啡杯”可以用來展示智慧感測器如何直接與雲進行通訊。在最喜歡的咖啡館，要上一杯"無限續杯"的咖啡。我會在咖啡店工作幾個小時，不想每30分鐘起來去續杯咖啡。有了無限的杯子，我可以坐在自己的桌子上工作，而我的咖啡杯正在和咖啡店的"雲"通訊，那就是 WiFi。當雲感覺到我的杯子溫度越來越低，或者變冷了，咖啡師會給我另外一個杯子，如果需要的話自動完成付費。這最終成為咖啡館現有云計算的一個新用途。它可以很容易地擴充套件到餐廳和飲品店。

當認為物聯網是一個系統系統時，有很多的方式。正如星球大戰三部曲是從中間開始的，然後進入過去和未來，討論IoT的三個系統也可以從中間開始，然後再到另外兩個。乍一看，聚合器看起來既像是智慧感測器上的雲，又看起來像一個雲上的智慧感測器，似乎是物聯網中不必要的組成部分。

IoT中的聚合子系統

看待物聯網的簡單方法是假設雲直接連線到智慧電子裝置上。從這個意義上說，也許智慧感測器和聚合器的概念是同一裝置的變體。但是這個概念在每個IoT機會中都不起作用。

聚合器是一個處理元素，它:

·      使用標準通訊方法與雲進行通訊

·      與具有專有通訊功能的智慧感測器進行通訊，在這些感測器中，對長壽命和成本的需求超過了對標準的需求

·      有足夠的處理效能來服務多個智慧感測器。在這樣做的過程中，它管理了來自大量智慧感測器的原始資料，消化它們的資料，準備一組需要傳送到雲端的資訊，然後將資料傳送到雲端。

·      在某些情況下，聚合器有足夠的自主權，可以作為該系統的雲。

聚合器與其他兩個元素之間的差異如下：

聚合器是大量智慧感測器和雲之間的通訊連結，最好的例子就是智慧手機。它具有合理的電池壽命、成本和效能。可以看到許多裝置可以與智慧手機進行物理連線，也可以通過無線網路連線到智慧手機上。它通常執行所有必要的功能，使其有用。但它總是無縫地涉及到雲的效能，依賴於電池的壽命。為了充分發揮其潛力，需要有電源，或者將其可用性限制在相對較短的活動期間。這導致了聚合器的一個更廣泛方面。它需要成為許多智慧感測器之間的可連續供電介面，那些感測器不是外部供電的，而云是具有無限效能的。

可以在工業控制和醫療嵌入式裝置中找到其他聚合器的例子。在這些例子中，都有一些共同的特點: 微型計算機或微處理器，許多標準的介面實現和各種通訊選項。它們的效能足以滿足系統的需求，而且它們的電力需求很低，足以使電池使用壽命合理，或者使用USB連線的電源供電。

對聚合器最簡單的描述就是它是一個獨立的計算機系統，它有

·      計算系統

·      電力管理系統

·      儲存系統

·      通訊系統

聚合器是一個獨立的系統，但它也可以是一個較大系統中的一個子系統。

聚合器可以使用帶有離散元件的印刷電路板(PCB)來設計聚合器，或者在模組(SOM)上的系統，或者一個包中的系統(SiP) ，或晶片上的系統(SoC)。一般而言，採取的這些形式中哪一種形式更多地取決於規模和靈活性的限制，而不是成本和效能限制。

技術已經允許減少聚合器的尺寸，它也將減少其元件的大小。令人驚訝的是，它並不依賴於提高原始效能或驅動整合。創造小型裝置如智慧塵埃的意圖要求計算機的功耗低到足以更好的散熱。聚合器將需要一個超低功耗的通訊連結與許多智慧感測器(也許是數千個)來通訊並聚合它收到的資料資訊。它將把這些資訊傳送到雲端進行最後的處理。與雲端計算的通訊將採用行業標準方法進行。與智慧感測器的通訊很可能是專有的，而不是標準的，以在其所需的通訊速率中保證最小的功率耗散。

IoT中的雲

雲的作用是兩個基本的功能: 與使用者交流，並給出額外的表現，甚至使用者可能不知道那些需求。雲端計算的概念可能是用一個愚蠢的方式來描述了網際網路的複雜性和它所做的一切。 

物聯網的概念不僅僅是描述雲，還包括雲是其中一部分的更廣泛的生態系統。這個概念使得雲端計算成為一個更大系統的組成部分。微控制器和微處理器的多樣效能夠融入這個生態系統。

當雲從概念演變為現實的時候，它似乎提供了無限的通訊頻寬、無限的效能和完全的安全性——但是，所有這些假設都可能是謊言。圖1描述了物聯網的各個組成部分的效能、頻寬和安全性。

圖1 IoT的效能、頻寬和安全性

對"無限"的一個定義是實際上提供的比所需要的多一點。

雲端計算的安全性是三者最關心的問題。至關重要的是，使用者和公司的隱私和安全得到保障。將更多的功能放在感測器和聚合器將比由雲做出每一個決定更具有保護性。這就是"一攬子體系"可以幫助的地方。這些微小的多晶片電子裝置看起來像一個單一積體電路(IC)，可以處理遠離雲端計算的物聯網系統中大部分決策。隱私和安全將始終具有價值，並將推動創新。

在考量物聯網系統的時候，三個系統中的每一個（雲，聚合器，或者感測器）都會有不同的元件類別。例如，智慧感測器的元件將被設計為超低功率，接受由此產生的效能水平。聚合器的元件將是更高的效能，但在電力預算範圍內。最後，雲中的元件將被設計為最大效能，較少強調功耗或成本。

這個表主要表達的是：

·      高效能裝置即使不是唯一的優先事項，也是主要事項。這是對雲端計算機的描述。

·      高效率的裝置是那些在沒有任何效能犧牲的情況下，優先減少功耗的裝置。這與聚合系統保持一致。

·      超低功耗裝置是指在實現絕對最小功耗的情況下，將優先考慮效能的裝置。這描述了智慧感測器。

可以看到上面的三個概念和組成物聯網系統的三個系統之間的相關性。雲中充滿了高效能的裝置。

圖2 IoT系統的功耗對比

如果把效能這一概念作為雲端計算的首要條件(如果不是唯一的話) ，那是因為雲端計算中的裝置類別是高效能的多核處理系統，GPU，FPGA以及專門設計的自定義裝置。在所有這些裝置中，目標是最大化效能，最大化通訊頻寬，或者保證安全和隱私。更復雜的是，許多聚合器也採用了高效能的概念，而且很難區分是否屬於雲端計算。

IoT中的智慧感測器

智慧感測器的設計包括紅綠藍3個方面的問題：

·      效能（藍）：處理器模擬還是數字的？資料是否壓縮？通訊的方法，標準和安全

·      能耗（綠）：節能的方法和數量？電池的型別和容量？電源的轉化和分配？（電源管理）

·      個性化（紅）：具體感測器的個性化引數？

值得注意的是，電力和無線通訊將成為智慧感測器的主導設計標準。 

智慧感測器的最終目標是完全自治。這意味著它可以源源不斷地提供能量，履行所有的功能，通過無線方式與外部世界交流。在智慧感測器中有三個獨立的子系統。其中一個子系統處理所有的電源管理，一個處理所有的效能，一個子系統處理所有智慧感測器的個性化。這三個獨立的子系統可以連線在一起來建立智慧感測器。有了這種靈活性，可以開發各種能源管理方法，然後與各種處理系統混合匹配。最後，具有不同感測器陣列的不同個性化元件可以連線到其他兩個子系統，以建立不同的智慧感測器。

功能所需的效能數量總是一個難以回答的問題。但是當它應用於智慧感測器時，一個新的效能指標就出現了，這個效能指標就是能源效率。因為隨著效能的提高和功能的增加，能耗也在增加。

在智慧感測器中，通訊方法將佔據大部分的電力預算。因此，與聚合器的通訊方法需要有最低可能的功耗。

小結

物聯網系統(或系統)需要在雲層之間進行優化，通過聚合器，最後到智慧感測器。當今聚合器將變得更智慧、更小和更低的功率，同時包圍雲和智慧感測器的大部分功能。物聯網未來的最大障礙將是如何處理收集的所有資料，以獲取有趣的資訊並採取適當的行動。

Original 半吊子全棧工匠 喔家ArchiSelf