物联网平台构架系列 （四）：Amazon, Microsoft, IBM IoT 解决方案导论 之 平台

最近研究了一些物联网平台技术资料，以作选型参考。脑子里积累大量信息，便想写出来作一些普及。做为科普文章，力争通俗易懂，不确保概念严谨性。我会给考据癖者提供相关英文连接，以便深刻研究。

      —— 冯立超 HiwebFrank

4. 平 台

    因为物联网的地域分布广、设备数量众多的特色，物联网解决方案必须借助公有云平台来实现。

    物联网解决方案须具有以下功能：

     - 从设备收集数据

     - 分析运行中的数据流

     - 存储和查询大型数据集

     - 实时和历史数据可视化

     - 与后端业务系统集成

     - 管理设备

    咱们用一个简单的图示来讲明物联网解决方案构架，下图是微软给出的一个与厂商无关的物联网解决方案通用示意构架：

    该简化构架包括 设备链接、数据处理与分析、信息呈现 三个层面。

    该构架中，物联网设备收集数据并与云网关交互；云网关使其它后端服务能够处理这些数据，从云网关，数据提交给其它业务应用程序或仪表板操做人员及其它展现设备。

• 设备链接

    如何让设备安全可靠地链接到解决方案后端，是物联网解决方案所面临的巨大挑战，相比于其它系统，物联网设备有以下一些特色：

     - 一般是无人操做的嵌入式系统甚至是没有操做系统的设备

     - 可能部署到物理访问成本高昂的远程位置等各类部署场景

     - 可能没法经过其余方式来与设备交互，而只能经过解决方案后端来访问

     - 供电及运算资源可能都有限

     - 网络链接可能不稳定、缓慢或高成本

     - 可能须要使用专属、自定义或行业特定的应用层协议

     - 可使用大量常见的硬件和软件平台来建立

    除上述特色以外，物联网解决方案还必须考虑可扩展性、安全性和可靠性。传统的技术如Web容器或消息传送代理等不足以支撑这样的需求。

    为此，物联网平台厂商都提出本身的解决方法，如微软的 Azure IoT Hub 及 Azure IoT SDK 等。关于 Azure IoT Hub 请参见上一讲相关内容。

   有关设备链接的多种状况，微软给出的概念构架图以下：

 

• 数据处理与分析

    在物联网解决方案中，数据处理与分析主要交由在公有云上的后端服务进行，包括设备数据筛选、汇总、路由到其余服务等等。后端服务主要负责以下工做：

     - 接收来自设备的大规模数据，并肯定如何处理和存储这些数据

     - 必要时能够从云端向设备发送数据或指令

     - 设备注册、预配置及安全链接控制

     - 跟踪设备状态并监控设备活动

     - 存储和分析设备历史数据，从而实现设备预见性维护

     - 与设备进行交互，实现反馈控制等

    固然，并非全部的业务都必须交由云端处理，例如一些必须及时响应的操做好比紧急刹车，这些处理及操做都必须在设备端直接进行；另外，设备也能够进行一些预处理，从而提升效率、下降数据传输量。

    为此，设备自己应该具有一些处理能力。

    微软的 Windows 10 IoT Core，提供了强大的设备端计算能力；

    而亚马逊的 Greengrass，则使物联网设备能够运行 AWS Lambda 函数、同步设备数据以及与其余设备安全通讯，甚至无需链接互联网。Greengrass 可确保物联网设备快速响应本地事件、运行时采用间歇性链接，并最大程度地下降将物联网数据传输到云的成本。

    华为的 LiteOS，则强调轻量级、低功耗（一个纽扣电池用好几年）、快速启动（毫秒级）及响应（纳秒级）、多种链接协议（广域/局域）等特性。

    另外，一些物联网设备，也能够经过彻底自主研发的芯片，实现相关数据采集与处理。

    好比图像火灾监测设备，能够将图像火灾分析算法集成在设备芯片中，由设备芯片中的算法进行判断，仅将是否发生火灾的断定结果传输到云端。

    而对于较复杂的图像、或者误判图像，则将图像数据及其设备端断定结果传到云端，经过机器学习，逐步改进算法，提升图像处理能力，并经过物联网对设备进行升级操做。

• 信息呈现和业务链接

    信息呈现和业务链接层 用于展现和操控从设备收集的数据。它可以让用户查看和分析从其设备收集的数据。 这些视图能够采用仪表板或 BI 报表的格式，以显示历史数据和/或接近实时的数据。

    此层还可实现物联网解决方案与现有业务应用程序的集成，以链接企业业务流程或工做流。 例如，图像火灾监测系统，在发现监测设备故障信息后，经过与维护服务商现有的运维计划系统集成，能够预定工程师到现场进行检查。

    下图是微软提供的一个物联网工厂的应用界面样例。

    在该界面中，仪表板左侧展现了生产线细节信息。如仪表板左侧第一条，提示机械臂严重警告，而在仪表板中部的模拟界面中，一样用红色标出机械臂警告位置。在右侧的报警栏，列出不一样时间点的警告信息，如机械臂温度警告等。而在仪表板下方，则展现该条生产线的总体效率信息。

    

• 微软物联网解决方案构架
  
  

    下图是微软物联网解决方案的较详细的构架图：

    微软的物联网解决方案平台，经过微软的公有云 Azure 实现，即 微软物联网套件 Azure IoT Suite。设备经过 Azure IoT Hub 注册和接入，而后可使用微软公有云 Azure 的各类强大的数据处理、存储、分析、机器学习能力，构建所需的各种物联网业务。

    微软物联网解决方案一般至少会使用到以下服务：

     - Azure IoT Hub： 该服务提供设备到云和云到设备的消息传送功能，并充当云和其余主要 IoT 套件服务的网关。 该服务使得能够从大量设备接收消息，并将命令发送给设备。 使用该服务，还可以管理设备，例如，能够配置、重启链接到 Azure IoT Hub 的设备，或对其执行恢复出厂设置操做。

     - Azure Stream Anzlytics： 流分析提供运行数据分析。 该服务处理传入遥测数据、执行聚合以及检测事件。 以及处理包含元数据或来自设备的命令响应的信息消息。 解决方案使用流分析来处理设备消息，并将这些消息传送给其余服务。

     - Azure Storage 和 Azure DocumentDB： Azure 存储和 Azure DocumentDB 提供数据存储功能。 解决方案使用 Blob Storage 来存储设备遥测数据并使其可用于分析；使用 DocumentDB 来存储设备元数据，以及启用解决方案的设备管理功能。

     - Azure Web App 和 Microsoft Power BI： 提供数据可视化功能。 借助 Power BI 的灵活性，能够快速生成针对具体业务要求的交互式仪表板。

    微软还给出了一些预配置解决方案和相关演示案例，有兴趣的读者能够点击以下连接，经过实际操做了解上面截图中的工厂物联网使用场景：http://www.microsoftazureiotsuite.com/demos/connectedfactory 。

• 亚马逊物联网解决方案构架

    而亚马逊给出的构架以下图所示：

    亚马逊物联网解决方案固然强调其公有云平台 AWS，而最受其推崇的，天然是当下正热的 Serverless 构架的 AWS Lambda。

    亚马逊物联网解决方案至少用到以下 AWS 服务：

     - Amazon Simple Storage Service：亚马逊简单存储服务，简称 Amazon S3,提供可扩展的存储服务。

     - Amazon DynamoDB：提供受管理的 NoSQL 数据库服务。

     - Amazon Kinesis：提供大规模流数据实时处理能力。

     - AWS Lambda：在亚马逊公有云平台发布运行自定义代码。

       ZStack创始人张鑫的文章《Serverless,后端小程序的将来》 比较透彻地讲解了 AWS Lambda 及 Serverless 的原理、构架、应用场景、优点和不足，并讲述了Serverless与PaaS的区别、与容器技术的区别及联系等，推荐一读。

     - Amazon Simple Notification Service：亚马逊简单通知服务，简称 Amazon SNS，负责处理通知发送与接收。

     - Amazon Simple Queue Service：亚马逊简单队列服务，简称 Amazon SQS，将数据存储到队列，由应用程序获取。

    （看看人家，作那么大的生意，本星球/本星系第一啊，啥都谦称为 Simple 简单啥啥啥，另外，包括如今 IT 运维领域最重要的 SNMP 简单网络管理协议、电子邮件的 SMTP 简单邮件传输协议......；看看咱们，动辄 ×××、擎天、至尊，汗颜啊！惭愧啊！）

• IBM 物联网解决方案构架

    IBM 的物联网解决方案名为 Watson IoT Platform，（永远的沃森）。其构架图以下所示：

    IBM 物联网解决方案基于 IBM 公有云平台 Bluemix,涉及到的服务至少包括：

     - IBM Cloudant NoSQL DB：用于存储和访问设备数据。

     - IBM Message Hub：为实时数据提供低延迟、可扩展的、高吞吐量的消息总线。

     - IBM Blockchain 集成：对于特定领域，能够集成 IBM 区块链服务，以符合特定的商业规则要求。

     - 仪表板：利用 Bulemix 提供的数据可视化仪表板，能够可视化展现设备状态数据，提供 BI 功能。

    IBM给出了一个简单教程，能够快速搭建物联网测试环境，能够参见https://console.ng.bluemix.net/docs/services/IoT/getting_started/quickstart/index.html#quickstart 

    本讲是本系列文档的核心，用了比较多的篇幅讲了业界领先的厂商的物联网平台。下一讲，咱们探讨安全。