20 多年前，公眾開始接觸互聯網，隨之出現了各種全新的公司和工作方式。 互聯網的出現打破了傳統的“實體”業務模式。 而物聯網 (IoT) 則將實體資產聯網，對互聯網進行了延伸。 由于嵌入傳感器可監測狀態，即使是建筑的一磚一瓦也可受到物聯網的影響。

在現實世界，IoT 使用分布式計算智能，讓傳統業務模式得到重新審視。 企業可以自問：消費者真正需要的是什么，我們能做什么提供支持？ 在為飛機制造的噴氣發動機中，我們已經看到這種轉變。 業界主要的供應商是早期采用 IoT 模式的企業，它們利用通信網絡服務于其產品，并為航空公司的購買方式提供了支持。

這種模式關注空運盈利性經營中最重要的部分，即縮短飛機在地面上的停工時間，讓其可以服務最多的航班數，這樣航空公司與噴氣發動機制造商就有了相同的激勵因素。 發動機中的傳感器不僅提供實時更新信息，而且還可傳達飛機處于停機位時的機況詳細數據。 得到的信息為發動機制造商提供關于發動機情況的最新消息，讓他們能根據飛行計劃，安排最適宜的時機進行離翼維護。

噴氣發動機業務模式本身旨在促進發動機制造商能讓飛機盡可能地多飛行，因此，航空公司除了購買發動機外，實際上也在租用這種保持飛機飛行的能力。 傳感器和全球通信幫助發動機制造商實現其業務模式的目標。

相同的原理可以擴展到其他諸多市場。 例如，汽車制造商可以從傳統的產品供應商角色轉換成可靠的運輸提供商之一。 汽車價值鏈的其他供應商也可加入其中。 制造商可以將輪胎租賃給駕駛員，而不是不定期向其出售，這種模式通過使用傳感器（部分已安裝于輪胎中）而獲得提升。

圖 1： 采用 NXP Semiconductor FXTH87 系列輪胎壓力監測傳感器的范例系統應用示意圖（來源： NXP）。

通過將輪胎壓力監測系統和駕駛數據連接到 IoT，云中的應用會通知駕駛員在恰當時間前往合適的服務站補充輪胎壓，并且如果駕駛數據顯示輪胎的使用強度大，駕駛員則應檢查胎紋深度和輪胎情況。 如果輪胎磨損達到需要更換的程度，駕駛員可在方便時前往輪胎更換地點換胎，而不必等到年度維修時再更換。 這種方法為消費者帶來極大的價值，也幫助輪胎制造商更好地預測收益流。

在保險領域中，這種業務轉型可能更加明顯。 以往，保險公司只是在制定保單時使用精算信息來估計風險，現在，他們可以更主動地降低風險和整體成本，為自己和消費者提供更高的價值。 例如，房屋保險中最高的成本之一是房屋在水管爆裂被淹后的物品清理和替換。 處理爆裂水管的時間越長，成本就越高。 因此，空置房屋的清理成本較高。

如果房屋內的傳感器檢測到漏水，指示即將發生水淹，自動閥將關閉總水管供水，從而顯著降低潛在損害。 傳感器還可以檢測其他問題，這樣保險公司能及時提供服務并處理問題，不至于產生過高代價。 通過這種方式，保險公司的角色轉換為一種保證。

現有諸多技術能讓企業最大程度地利用 IoT。 如上例所示，傳感器和通信是兩項關鍵技術。 但要讓整個系統順利運作，基礎設施也是很重要的。

在大多數基于 IoT 的現有應用中，通信基礎設施的作用更像是內聯網。 制造商已部署傳感器，通常也對網絡進行管理，盡管可能租用了現有通信基礎設施的功能，如蜂窩網絡。 IoT 能使用來自多個提供商的數據和網絡，創建單一的應用，以此提供最大價值。

例如，水傳感器和自動閥可能分別由業主和自來水公司安裝。 協調兩者行動的關鍵在于保險公司開發的軟件，其可能在多個位置運行。 計算水讀數是否指示水淹的核心算法通常在云服務器中運行。 這些服務器可能直接屬于服務提供者所有，或者從 Amazon Web Services 或 Microsoft 的 Azure 服務等提供商處租用。

為保證實時響應，某些應用可能在非常靠近傳感器和致動器的 IoT 網關中運行。 此網關是需對計算結構做出的一項最大變化，進而從 IoT 提取最大價值。

某種程度上，IoT 網關實現與家中、辦公室或工業單位的路由器相同的功能。 它收集來自多個傳感器節點的數據、向致動器傳遞命令、并向云提供信息。 網關和各 IoT 節點之間的連接構成“霧”層的部分，以區分它們與更廣泛的互聯網到云的連接。

網關設計的可能方向之一是讓它們成為 IoT 應用的主機。 基于虛擬機監控程序的虛擬化架構能將核心路由和網絡管理功能從可下載應用程序（可能來自于各服務提供商和設備供應商）中分離。 Prpl 小組已展示該架構，開發出支持它的虛擬機監控程序，并以開源形式提供。 這便于制造商實施 IoT 網關的核心功能，應用編寫人員也可輕松創建在其上運行的軟件。

對于霧網絡，集成人員和開發人員都面臨大量選擇，這些選擇的范圍、數據速率和其他功能方面都有極大區別。 IoT 的廣泛性意味著沒有一體適用的解決方案。

即使在新興的智能農業領域，也要考慮這種多樣性。 某些解決方案將應用于小型的棕色地帶，這里的作物生長在溫室中。 盡管在溫室環境中相對容易控制植物的灌溉，但這種農業形式的封閉性易于導致病害快速蔓延。

而傳統的田間農業則面臨著不同的挑戰。 雖然存在病蟲害侵襲的問題，但確保作物高效生長且不浪費水的關鍵在于監控土壤層的灌溉效果。 通過監控土壤的濕度，傳感器可以向應用提供相關信息，從而準確控制農田灌溉。 只有當田間某個區域的濕度過低時才會啟動灌溉。 而田間其他區域不會澆水，以免過度灌溉。 這種技術已經應用干旱地區，如近年來飽受干旱之苦的加州。

在溫室環境中，土壤數據很重要。 但由于可以循環用水，節水顯得并不那么重要。 相反，可以采用水培生長培養基，并利用不同類型的傳感器來監控流速，維持良好營養分布。 為監控病害，可采用無人飛行器 (UAV) 檢查農作物，找出需要緊急處理或清除的作物，以免感染其余作物。

兩種農業形式各自的通信需求差別極大。 高帶寬通信在溫室環境中更重要，可通過基于云或網關的應用更好地識別病害癥狀。 在空間狹小的環境中一般適用短程、帶寬更高的協議，如藍牙或 Wi-Fi。 傳統農場的露天環境不太適合范圍有限的霧網絡，但可以部署其他選擇，如 LoRaWan 或蜂窩網絡。

盡管藍牙的設計主要用作個人區域網，面向與手機進行通信的設備，但是其應用空間已通過一系列協議增強版本得到顯著擴張，并且將持續發展。 藍牙技術聯盟 (SIG) 正在進行一項技術調整，將使 100 米的常規傳輸范圍擴大四倍。 范圍擴展降低了比特率，但由于該協議具有自適應性，因此更靠近的節點能獲得更高的傳輸速度。 技術調整后，近距離設備之間的數據率將增加到 2 Mbit/s。

另一項調整是讓藍牙與其他面向 IoT 的網絡保持一致（如 6LowPAN 和 Zigbee），即增加對網狀網絡的支持。 作為 6LowPAN 和 Zigbee 基礎的無線通信 IEEE 802.15.4 規范旨在支持網狀網絡，能用于擴展此類霧網絡協議的有效范圍和彈性。

網狀網絡使得數據包能通過短程通信實現長距離傳輸。 這是通過讓數據包在源和目標之間的節點使用短躍點來實現的。 網狀技術提高了彈性，因為當一個節點出現故障時，通常可使用另一個節點進行數據傳遞。 有了網狀技術，就能將傳感器放在超出 IoT 網關節點直接范圍的位置，如溫室屋頂等難以接近的區域。

修改藍牙規范時，也考慮了 IoT 的異構性，讓支持該協議的傳感器節點能與 6LowPAN 設備進行交互。 盡管 6LowPAN 比 Zigbee 引入更晚，但由于被 Thread 協議組采用，6LowPAN 在 IoT 裝置中更可能普及。 Thread 為 6LowPAN 增加了驗證和加密等特性，提高了整體安全性。

6LowPAN 等協議不僅在藍牙和 Wi-Fi 使用的 2.4 GHz 頻段工作，也可在 868 MHz 等千兆赫以下的免許可頻帶工作。 由于采用窄帶傳輸，這種低頻范圍支持較低比特率。 但是，范圍趨于增加，并且對功耗的影響極小。 因此，在網狀網絡不太適用但又需要長距離傳輸的情況下，適合使用千兆赫以下的頻帶部署無線傳感器節點。 例如，沿著道路部署傳感器并按照一定間隔放置網關，以便向云輸入和輸出信息。

改為采用 LoRaWan 或 SIGFOX 等協議后，單一網關可與散布在郊野一公里或更大范圍的大量傳感器保持連接。

圖 2： Semtech SX1272/73 - 860 MHz 到 1020 MHz 低功耗遠程收發器 – 框圖。

LoRaWan 協議由 Semtech 制定，該公司協同 Microchip Technology 和 STMicroelectronics 一同提供兼容收發器。 硅的隨時可用性讓 IoT 應用開發人員和集成人員可以選擇霧網絡的性質。 他們可以部署自己的網關硬件，或者使用公開或私有網絡。 現在不僅有商業 LoRaWan 網絡的部署，某些人士也在自發部署自己的免費產品。 比如荷蘭的阿姆斯特丹，The Things Network 組織成員部署的十一個網關就幾乎覆蓋了整座城市。

大多數針對 868 MHz 通信和類似帶寬開發的收發器都可使用 SIGFOX 協議。 該協議主要為實現與協議制定公司安裝的網關節點進行單向且低數據速率的通信。

長距離通信還可選擇使用 3G 和 4G 蜂窩網絡。 3GPP 標準化小組已制定了針對 IoT 應用的 4G LTE 協議，并且正致力于制定另一項協議 Narrowband-IoT，它將降低復雜度和功耗。

得益于通信基礎設施的發展，IoT 設備將擁有連接到霧網絡和云端的多種方式。 關鍵在于將這些單獨的系統鏈接在一起，而軟件和數據標準則是重中之重。

受限應用協議 (CoAP) 等協議讓互聯網標準（如超文本傳輸協議 (HTTP)）的優勢推廣到霧網絡的傳感器節點中。 CoAP 提供對 HTTP 的訪問，其形式非常適合內存和處理資源受限的微控制器。 CoAP 支持相同的具象狀態傳輸 (REST) 編程模型，此模型已成為開發基于 Web 的應用的標準。 但是，它采用二進制而非文本格式，比傳統 HTTP 更緊湊，適合低數據率連接。

圖 3： MQTT 服務質量 (QoS) 功能（來源：MQTT - 適用于物聯網的實用性協議： IBM MessageSight Solutions）

MQ 遙測傳輸 (MQTT) 等其他協議，可支持備選的應用架構。 相比 CoAP 的客戶端-服務器架構，MQTT 支持發布-訂閱模式。 發布-訂閱架構適合 IoT，因為它提供來自不同應用的各傳感器節點的數據，無需直接訪問每個節點。 這樣可降低對霧網絡的要求，并且實現可擴展性。 CoAP 和 MQTT 并不相互排斥。 網關可以使用 CoAP 收集數據，然后使用 MQTT 或將來可能出現的協議提供對其他應用的訪問。

關鍵在于已部署的架構將支持互操作性，并且因此實現 IoT 的主要承諾之一，即快速開發出創新型的高盈利應用，而無需每次都進行基礎設施投資。

例如，部署無人機和其他傳感器來監控農作物之后，農場主可以基于市場數據或運輸情況調整收割決策。 基于云的應用可追蹤特定食品的需求，必要時促使農業系統加速收割，以應對需求增長。 另一個應用則可運行及時收割系統，最大程度確保作物新鮮度。 只有當卡車位于農場范圍內，才開始當天的收割– 由于所采用的預測軟件使用無人機提供的數據，可明確已準備待采摘的作物量，這樣就能在卡車到達時確保作物準備就緒。

無需為卡車增加傳感器來確定其位置和大概到達的時間，因為它們已經就緒到位。 唯一的要求是數據對該應用可用，而這可通過 CoAP 和 MQTT 等協議來實現。

IoT 涉及通信、傳感器技術、基于云的智能和開放軟件協議。 IoT 承諾提供由業務模式推動的全新功能，如果沒有這些技術，這些功能將難以實現。