物联网架构:拓扑和边缘计算注意事项

物联网(IoT)项目可能很复杂，因为需要做出很多决定。对于任何物联网项目，您都需要获取无线电和网关等通信设备，使用一种或多种连接方法和协议连接这些设备，并确保设备按要求运行。在这个过程中需要做出很多决定，包括电路板设计、天线放置以及与其他设备的互连。物联网架构是这些决策的最终结果。

典型的物联网架构是无线设备、智能网关、路由器和云计算的组合。在这篇博客中，我们将重点介绍您在定义策略时需要做出的无线协议和连接选择，并在此过程中涉及物理组件。

评估您的物联网架构需求

为你的新项目选择最佳的物联网架构包括评估你的连接需求，以及对可用技术的评估，当然还有将其整合在一起的资源。2022世界杯G组对于您需要做出的许多决定，没有错误或正确的答案，但这是一个评估和选择最适合您的用例和所需的产品设计功能的问题。

例如，有几个无线协议可以潜在地用于设备之间的通信，但它们各自都有特定的好处和理想的用例。最适合您的部署的方法取决于您独特的场景。因此，充分理解您的项目和可用选项非常重要。

在Digi，当我们与客户合作时，我们会提出许多问题，并审查一系列选项，以帮助确定他们的物联网架构需求。这里有一些重要的注意事项，从高层次上帮助你变得有条理:

• 物联网架构功能:
  • 您的物联网架构是否需要收集数据，例如在传感器网络中?
  • 它是否需要包括监控和控制，例如在SCADA网络中?
  • 你的设备需要多久发送一次数据?
  • 设备到网关的距离是多少?
  • 数据从终端节点发送到网关需要多快?
  • 你是否有必须满足的严格的时间要求?
  • 你的物联网设备将如何连接到云端?
  • 电源管理是一个问题吗?例如，在一个大型或远程网络中，如果必须频繁更换电池，那么电源管理将是昂贵或低效的。
• 物联网设备选择:上市时间和“建造vs.购买"注意事项:
  • 您需要选择支持项目所需功能的物联网设备，如无线电和网关。
  • 如果时间不是必须的，你可以从头开始构建你的解决方案。
  • 如果上市时间是关键，那么您最好从预构建和预认证的无线模块开始，并可能与支持服务合作。
• 管理已部署的设备:
  • 确定是否需要支持无线(OTA)选项的协议，以便在所有设备上更新固件。
  • 如果不是，请确定您是否有能力使用更新的协议，该协议可能有固件升级来修复问题或增强功能。
  • 在没有OTA固件升级的情况下，考虑实际操作、逐个升级或发送“卡车卷”来更新现场单位的成本是很重要的。

所有这些决策都将影响项目的总体规划、部署和管理，并最终影响总拥有成本。让我们仔细看看其中的一些注意事项。

拓扑和边缘计算注意事项

许多工程师在准备设计物联网网络时都会问的一个关键问题是:“哪种拓扑最适合我的应用程序?”其中一些选项包括网状网络协议，如Zigbee或DigiMesh，以及点对点或点对多点。在某些情况下，根据前面提供的问题，很明显哪种拓扑最有意义。在其他情况下，可能需要进行额外的研究和测试。

在接下来的部分中，我们将讨论在评估哪个适合您的需求时需要考虑的一些事情。

网状网络

网络工程师通常具有特定拓扑的经验，并且可能认为它可以在任何设置中使用，但有时对于不同的用例，另一种选择可能是更优的。要确定网状网络拓扑是否适合您的应用程序，了解这种策略的优缺点是很重要的。

需要分析的一个关键因素是系统的时序需求。网状网络拓扑通过网状结构的网络将数据从一个节点路由到另一个节点。因此，由于增加了延迟，需要考虑“跳”。你需要100毫秒的数据，还是可以接受每秒一次的数据?

最终由您决定，但是拥有不同拓扑的选项会对无线部署的成功产生影响。您的Digi团队可以支持您对这些权衡进行评估。

网状组网的特点:

• 网状网络的优点是在网络中支持大量的节点——在某些情况下，根据架构的不同，最多可以支持一千个节点。
• 数据智能地从一个节点到另一个节点，再到网关。
• 如果一个节点在网络中消失了，网络将重新发现一条新的路径，以确保数据能够到达网关。
• 如果将节点添加到网络中，一旦发现该节点，网络就可以通过添加的节点路由数据。
• 网状网络通过允许从节点或设备到网关的多条路径提供冗余，并在条件变化时灵活调整。
• 还可以建立子网络来隔离相邻网络的数据。当你有一个像太阳能发电厂或智能照明应用程序这样有数千个节点的密集网络时，这绝对是一个很棒的功能，因为延迟不是一个问题。

网状网络有很多标准，比如无线个域网还有点对点网络DigiMesh，而Digi支持这两种协议。

Zigbee和DigiMesh之间的主要区别:

• Zigbee通常在2.4 GHz频率上，而DigiMesh可以在2.4 GHz XBee模块以及900 MHz和868 MHz XBee模块上运行。
• Zigbee有终端节点、路由器和代表终端设备、中继器和网关的协调器。
• DigiMesh是一个点对点的网状网络，它还提供自修复、密集网络操作、通过休眠模式延长电池寿命以及简单的设置和配置。

为了理解权衡并为您的用例确定正确的协议，您可以比较的优缺点Zigbee和DigiMesh在我们的相关博客文章中。有关更深入的了解，请参阅Zigbee vs. DigiMesh白皮书．

点对点或点对多点

无线点对点(PTP)和点对多点(PTMP)是用于广泛应用程序连接的拓扑，例如您希望用无线通信替换电缆的用例。这些协议在两个设备之间(点对点)或从一个设备到多个设备(点对多点)进行通信。

有一些因素需要考虑，如距离、时间和电池功率，可以表明是否需要PTP网络而不是网状网络。

以下是PTP和PTMP协议的一些亮点:

• 如果你需要为一两英里以外的几个设备提供无线连接，而且你的视线很好，那么PTP可能是最简单的解决方案。
• PTP或PTMP对于电池供电的应用是有效的。数据可以在需要时发送，然后可以根据您的通信需求启用睡眠模式。在PTP/PTMP类型的应用中，让电池持续使用几年并不是闻所未闻。
• 相比之下，网状网络增加了延迟，也更耗电，因为需要电源供电的路由器或中继器。

因此，如果您的网络相当小，范围很清楚，PTP/PTMP比网状网络有很多优势。

PTP和PTMP网络的另一个考虑因素是它们的设置非常简单和快速。它们可以很好地与有严格时间要求的协议(如Modbus)一起工作。

直接连接蜂窝，Wi-Fi和蓝牙

除了我们已经讨论过的物联网架构之外，您还可以在情况需要时通过Wi-Fi和蜂窝网络直接将设备连接到云端。每种策略都有利弊。

Wi-Fi可能是目前存在的最普遍的协议。但是，重要的是要考虑客户站点的Internet可用性以及他们的安全策略。让你的物联网设备连接到别人的Wi-Fi网络并不总是一个快速的过程。这可能需要额外的安全审查，并且在某些情况下，基于客户的公司策略是不可能的。

在住宅应用中，使用数百个不同的无线接入点和不同水平的客户使用Wi-Fi的技能也可能具有挑战性。

蜂窝应用程序的重要考虑事项:

• 使用连接蜂窝无线电在美国，你需要确保你能接入蜂窝网络，这在大多数城市环境中都是常见的，但在更多的农村地区可能是一个挑战。
• 您需要考虑数据速率，并确保以应用程序所需的速度将数据发送到云。LTE- m和LTE Cat-1协议非常适合将数据从传感器发送到云端的大多数物联网应用程序。
• 激活、数据计划、SIM管理和远程设备管理也需要考虑在内，因为维护物联网设备的蜂窝连接涉及更多的移动部件。

一个例子是与Verizon或AT&T这样的运营商合作。如果你是一家初创公司，或者刚刚开始你的第一个蜂窝物联网项目，直接与威瑞森或AT&T这样的运营商合作，有时可能会令人沮丧。与MVNO(移动虚拟网络运营商)合作可以更有效地帮助您及时启动物联网项目。Digi还提供计划、sim卡和远程管理工具(Digi远程管理器®)来帮助你的项目快速推向市场。

物联网的另一个趋势是在一个模块上提供双无线电支持，比如Digi的XBee 3产品．您有一个主要的无线协议，如LTE-M、Cat-1、Zigbee或802.15.4，以及用于配置和管理的内置蓝牙链路。

想象一下，你走到现场的一台设备前，不用连接线缆进行配置或故障排除，而是使用蓝牙连接手机上的应用程序。这也使得调试设备与拖着计算机和电缆进行配置相比变得轻而易举。

dropin网络

无线网络可以建立在各种拓扑和配置中。例如，通过无线链路将远程传感器或设备连接到智能网关，智能网关可以通过蜂窝网络、Wi-Fi或以太网进行数据回传，这已经得到了验证和成功。从远程设备或传感器收集数据，然后通过无线链路发送到智能网关。然后，网关将数据“回传”到云端进行分析或控制。

“插入网络”是为应用程序创建特定的网络。在SCADA或遥测环境中，引入了具有回程能力以及连接到远程射频节点以来回发送数据的能力的网关。

在一些接入式网络应用中，连接到设备的蜂窝路由器可能就是你所需要的全部。一个例子是零售商店的售货亭或POS终端，它使用蜂窝连接来处理交易。

临时加入网络的另一个好处是，你不必依赖或寻求批准就可以加入现有网络。通常，获得加入客户Wi-Fi网络的许可要比设计和部署自己的网络花费更多的时间。创建插入式网络使您可以灵活地决定在网格、点对点和点对多点之间哪种拓扑最有效，然后使您能够控制网络的所有方面。

具有数千个节点的网状网络经常与网关通信，这对于太阳能场和街道照明等应用非常适用。在具有dropin网络拓扑结构的PTP或PTMP应用程序中使用远程900 MHz无线电可以帮助您覆盖像油田或农业环境中那样长距离分布的设备。

基于蜂窝的Digi XBee 3模块还允许您通过将数据直接从设备发送到云端来绕过传统网关拓扑，但它需要为解决方案中实现的每个Digi XBee®3蜂窝调制解调器制定数据计划。幸运的是，随着时间的推移，数据计划的成本已经显著下降，运营商正在开发创新的蜂窝数据计划，如汇总或分级蜂窝计划。Digi可以与您合作，帮助您确定最适合您应用的解决方案。

边缘的情报

边缘智能是物联网的最新趋势之一。边缘计算帮助提高解决方案的效率，并在将数据从大量设备发送到云时减少延迟。与将所有数据发送到云端进行分析和操作不同，决策和数据处理可以在边缘进行。这减少了通过网络的流量，并提供了额外的性能收益。

对于远程部署的传感器来说，电池寿命也是一个关键因素。你在网络上传输的数据越多，你对电池的消耗就越大。因此，考虑您需要设备多久报告一次，并自定义模块连接以获得最佳性能是很重要的。

边缘智能可以帮助远程传感器节点根据条件变化知道何时发送数据，从而降低昂贵的传输电流消耗，在蜂窝网络的情况下，降低数据费用。

在Digi XBee模块上的MicroPython允许工程师创建边缘智能，允许优化电池寿命等。例如，如果传感器读数没有变化，边缘设备就不需要发送数据，并且可以通过保持睡眠模式来节省电池。

边缘计算还允许终端设备做出有条件的决定，而不是向网关查询命令，就像一个孩子不断地向父母请求做某事的许可一样。为了进一步类比，如果你不希望孩子做任何事情都要得到允许，你可以给设备添加一些智能，让它来处理非关键的进程。

智能网关

在许多类型的物联网应用程序中，数据从设备流向网关。例如，当传感器数据进入并传输到云端时，智能网关等Digi XBee工业网关可以聚合数据，并对特定的传感器数据采取行动，这有助于优化与云的通信。

当涉及到蜂窝回程(即数据计划和运营商的成本)时，这种情报尤其有价值。带有可编程语言(如Python)的网关使用户能够向网关添加一些智能，从而更有效地管理数据。您可以通过Python代码优化您的解决方案，而不是默认情况下通过回程协议将数据通过网关传递。这样做可以帮助您避免发送大量数据，减少蜂窝数据费用，并在设置阈值以警告您发生特定事件时快速采取行动。

在网关中使用其他回程通信选项(如Wi-Fi和以太网)对物联网应用也非常有用。当本地网络可用时，可以连接网关以避免蜂窝网络费用。然而，当只有蜂窝网络覆盖时，选择国内和国际不同的运营商可以使生活更容易，当需要在全球范围内部署时。管理用于诊断和故障排除的已部署网关的工具，以及远程固件升级功能是物联网应用程序的必备功能。

物联网安全

在评估物联网架构的组件时，安全性是物联网解决方案要考虑的另一个方面。虽然数据包加密是大多数嵌入式安全系统的基础，但您是否考虑过安全引导、保护硬件端口、身份验证和安全连接?

每个物联网设计师都应该考虑其物联网设备硬件和软件可用的安全措施，并在物联网项目开始时评估安全技术，以降低风险并确保成功。例如，Digi XBee模块使用安全会议并将数码网络Trustfence®安全框架。

原型、测试和开发资源2022世界杯G组

虽然在规划物联网架构时需要考虑很多问题，但幸运的是，有一些资源可以帮助您。2022世界杯G组

用于原型和测试的开发工具包

物联网开发工具包可能是测试功能的关键。通常情况下，开发工具包成本较低，并包含分析不同类型无线网络所需的所有硬件。在几个不同的开发工具包中运行测试以确定哪一个最适合您的应用程序是很常见的。开发工具包的另一个巨大优势是，你可以很容易地在Digi-Key或Mouser等分销商那里找到它们，并且可以在订购它们后的第二天在实验室进行测试。

物联网开发工具包使学生、制造商和工程师很容易快速、经济地建立无线物联网解决方案的原型。

物联网开发工具

对于使用Digi XBee模块设计应用程序的开发人员，Digi提供了一个屡获殊荣的工具套件:Digi XBee工具．该套件包括硬件和软件，旨在帮助团队快速开发、构建、部署和管理物联网应用程序。

Digi还提供教程和视频，以帮助开发人员建立原型并测试他们的设计。请参阅我们的博客文章，开发无线应用程序的Digi XBee教程和资源2022世界杯G组，提供这些资源的目录。2022世界杯G组

为原型和产品开发提供支持服务

利用专门用于物联网项目原型设计、测试和其他方面的服务，可以快速加速您的项目的设计阶段，甚至开发阶段。例如,数码无线设计服务为物联网项目提供全方位的支持，从创意到完整的开发和认证服务。

虽然您自己可以做很多事情，但在您计划部署的地方进行现场调查可以帮助避免在实验室中没有预料到的问题。大多数真实世界的应用都不是在最理想的射频条件下。像建筑物、墙壁、树木和其他结构这样的障碍物可以很容易地破坏无线网络。现场调查可以帮助您确定哪种天线是最好的(或者您是否需要定制天线)，噪声底限(或射频干扰的潜在来源)是什么样子的，以及是否有任何在开发解决方案时没有预料到的“陷阱”。

将现场调查与将进行安装的技术人员的一些培训结合起来，您将领先于游戏。

其他物联网架构注意事项

物联网解决方案的无线部分还有其他方面也需要考虑。其中一些问题一开始可能看起来微不足道，但如果在物联网项目的规划阶段没有考虑到它们，可能就需要董事会旋转或额外的时间来更新固件。

以下是一些需要考虑的因素:

• 您所监控的设备是否需要GPS/GNSS服务?GPS可以和你选择的蜂窝调制解调器一起使用吗?还是在你的电路板上有一个单独的GPS调制解调器更好?(请参阅我们的博客文章，地理物联网:快速，轻松地添加GPS定位服务到您的物联网应用程序．)
• 您希望将解决方案部署到一个地区(如北美)，还是将在全球范围内使用?这对选择物联网设备所需的产品sku，以及所需的认证和相关成本都有影响。(请参阅我们的博客文章，蜂窝部署走向全球．)
• 一旦设备部署到现场，您计划如何管理固件升级、远程诊断或故障排除?(请参阅我们的博客文章，什么是物联网设备管理？)
• 你的溶液会暴露在高温下还是低温下?如果是，您的解决方案的哪些部分将限制基于温度的操作?

与正确的合作伙伴和解决方案合作可以帮助您确保您的解决方案将是成功的，并显示出快速的ROI。Digi是一家端到端物联网解决方案提供商，为原型设计、开发和部署提供集成硬件、软件、工具、安全解决方案和服务。

总结

成功的物联网部署需要大量的研究、规划、测试，通常还需要一些咨询和外包。花点时间来权衡选择，在你投入物联网架构之前，不要害怕测试一些开发工具包。在项目开始时花时间研究和理解备选方案可以为您节省时间、金钱和麻烦。

Digi可以与您合作，确定正确的协议、RF硬件、软件和专业服务。联系我们开始对话。