《IoT物联网开发全栈成长计划》第一部分学习笔记（上）

本文摘自 论坛 https://bbs.huaweicloud.com/forum/thread-73238-1-1.html 本人亲自笔录的内容。文字和图片版权归官方所有，记录下来仅仅是因为学习的目的，特此说明。

一、物联网全栈成长之初始：

第一章 初识物联网：

1.1初探

特洛伊咖啡壶

历史

1999.提出IoT，概念为依托RFID技术和设备，按约定的通信协议和互联网结合，使得物品信息实现智能识别和管理，实现物体信息互联、可交换和共享而形成的网络。

2005 IUT引用了物联网的概念

2008 IBM智慧地球

2009感知中国

2013 德国工业4.0

2015 中国制造2025

物联网划分阶段：

1999-2013 概念阶段 RFID 物

2014-2016 智能穿戴 智能家居

2016（物联网生态元年）-今 上述已落地

NB-IoT标志着物联网在广域网领域形突破

云，管，端已完成闭环

物联网的层次：

感知层：信息收集和信号处理

网络层：终端接入和数据传输

平台层：设备通信管理，数据存储和业务规划

应用层：数据呈现和客户交互

垂直领域：

公共事业物联网

车联网

工业物联网

智慧家庭物联网

不同的行业采用不同的技术：

1.2有线技术

以太网，RS232，RS485，PLC，M-Bus

特点：稳定性强，可靠性高

缺点：受限于传输媒介

1.2.1以太网

标准以太网，快速以太网，10G以太网——路由器，宽带等

1.2.2 RS232/RS485

RS232：异步接口，DB9，DB25（监视和控制）

RS485：是RS232的扩展

1.2.3 Meter-Bus 用于非电力户用仪表传输的欧洲总线标准，总线型拓扑结构可以低成本可靠组网

M-BUS仅对OSI的 物理层、链路层、网络层和应用层做了定义，并增加了管理层

满足了公用事业仪表组网和远程抄表，远程供电和电池供电系统的需要

传输距离1000米。

1.2.4 PLC 电力线通信

场景：电表数据传输，设备交换数据，与信息家电对话，传输安全监控信息

1.3 无线通信

1.3.1 蜂窝移动 2G/3G/4G

2G：GPRS

场景：共享单车。POS机

1.3.2 短距离无线通信技术

1.3.2.1蓝牙：

2.4-2.485GHz的ISM波段的无线电波，最高速度1Mbps，距离：10cm-10m（放大后可达100米）

场景：手机、耳机、音箱、家电、智能穿戴

特点：速率快，低功耗，安全性高

缺点：节点少

1.3.2.2 WiFi

2.4GUHF或5G SHF ISM射频频段

特点：覆盖广，数据传输块

缺点：安全性不好，稳定性差，功耗略高

1.3.2.3 ZigBee

基于 IEEE802.15.4

场景：工业，智慧家庭

特点：近距离，低复杂度（简单），低功耗，低速率，自组织，使用方便，工作可靠，价格低，每个基站成本不到1000RMB

缺点：信号衰减厉害，不同芯片兼容性差，网络不宜维护

1.3.2.4 ZWave

基于射频，，丹麦推出，ZWave联盟覆盖广。

特点：网络结构简单，低成本，低功耗，高可靠室内30米，室外100米

缺点：速度低，标准不开放，芯片唯一来源sigma designs

场景：住宅，照明商用控制，状态读取应用——抄表，照明和家电控制，接入控制，防盗，火灾监测

总结比较：

1.4 LPWA 低功耗广域网

技术：

sigfox

LoRa

NB-IoT

1.4.1 sigfox

法国sigfox公司

低功耗，低成本的物联网

技术：

UNB超窄带技术

功耗低，稳定数据连接

速率：100bps

可扩展的网络拓扑

使用免授权Sub-G ISM射频频段(欧洲 868MHz，美国915MHz）

1.4.2 LoRa

美国Semtech公司

基于Mac层协议的LPWA，同时基于Sub-GHz频段，基于扩频基础的超远距离无线传输方案

特点：远距离，长电池寿命，大容量，扩展传感网络

1.4.3 NB-IoT

构建与蜂窝网络的窄带物联网，180KHz

可部署在GSM,UMTS和LTE网络

使用需要授权的Sub-GHz

特点：覆盖广、连接多、速率低，成本低、功耗低、架构优

场景：远程抄表、资产跟踪、智能停车，智慧农业

总结比较：

第二章 窄带无线，海量物联：

2.1 NB-IoT的技术

物理层：带宽180KHz

上行技术：SC-FDMA(单载波频分多址）

子载波连续的调制解调技术，LTE上行链路的主流技术

NB-IoT支持单载波（上行数据仅占用一个子载波，跟高的功率谱密度增益，必备功能）和多载波（占用多个子载波进行上行数据传输，可选功能）。

2种物理信道+2种参考信号

下行技术：OFDMA=OFDM+FDMA 正交频分多址

将180KHz分成12个子载波，每个15KHz

3种物理信道+2种参考信号

物理信道

措施：降低目标速率，多次传输，低阶调制方式

目的：增加覆盖，降低成本，降低功耗。

NB-IoT部署方式：

独立部署：单独频段，适合于GSM

保护带部署：适用于LTE

带内部署：适用于LTE任何资源快

关键特性：

（一）低成本：华为SingleRAN方案，在现有网络上改造，降低成本；芯片专为物联网设计；单天线，半双工方式，简化信令处理

（二）低功耗：一般仅仅上行，不需要standby. 省电模式：PSM（最省电） ，eDRX（可以根据场景选择）——降低了设备对基站资源的使用

PSM：激活态--》空闲态==》寻呼监控态---》休眠态（此时下发的指令缓存在IoT中，设备并不能收到指令）

99%时间在休眠态。因此功耗很低。

场景：水表

DRX非连续接收（休眠周期1.28s）--》eDRX：扩展非连续接收(休眠周期2.92h）

场景：共享单车，物流跟踪

并可以同时使用两种方式：当PSM激活期>eDRX周期时，进入eDRX周期

（三）强覆盖：时域重传技术提高功率谱密度，比GSM有20db的MCL提升。可覆盖到地下室

MCL：最大耦合损耗。数值越大，覆盖范围越大

LTE ：142.7 GSM：144 NB-IoT：164。后者比GSM多穿透两堵墙。（通过功率谱密度提升和重复发送来实现增益）

功率谱密度提升：使用子载波比直接使用 180KHz多11dB增益

重复发送：提高9db下行，12db上行增益

（四）大连接：终端多，发送包小，可以使得100K左右的终端同时在一个小区，调度单元小（15KHz）。相同资源下资源利用率更高

减小了空口信令开销。基站和核心网优化后可以缓存上下文信息。终端一旦有数据发送，立刻进入激活态。

2.2 NB-IoT技术牛笔吗？

NB 窄带 由3GPP组织进行研究和标准化

标准的发展：

华为+沃达丰----高通----爱立信---->3GPP

网络架构：

（1）感知层——NB-IoT终端：数据采集；无线连接，发送数据

（2）网络层——eNodeB基站，EPC核心网：负责数据接入，传输，转发，基站可以在2G、4G上升级

核心网支持4个网元：

MME：接入的关键网元，负责信令处理

HSS：用户归属服务器。存储用户签约信息的核心数据库

S-GW：负责跟核心建立连接

P-GW：PDN网关；管理3gpp和非3gpp间的数据路由，策略执行，计费

核心网：负责安全接入，连接管理，网络鉴权，流量计费，流量调度等功能

（3）平台层——物联网平台：

数据存储，数据管理

应用层协议栈适配，终端设备管理

API能力开发，大数据分析

（4）应用层——第三方应用：数据呈现和用户界面的交互

2.3 eLTE-IoT的技术

工业物联网专网采用什么技术？

eLTE-IoT解决方案：基于3GPP标准，窄带无线物联网解决方案

eLTE-IoT：

1GHz一下的非授权ISM频谱

灵活易部署的轻量化设备

支持标准物联网协议与企业现有应用平台对接

目标市场：

企业自建窄带无线物联网市场，如制造，电力，水务，智慧城市。

制造业案例：

提供海量的低功耗方案，对传感器数据进行收集，实现对生产状态的监控和对能效的管理。

电力案例：

远程抄表：覆盖广，海量连接，易于部署。单小区3-5km覆盖半径。最大支持1000电表接入。小型化设备易部署，星型拓扑结构。

特性：

可靠连接：基于ISM频谱

可靠物联：最大容量

更低功耗：最长10年

更广覆盖：10Km

支持频段：

中国：470-510MHz

美洲：902-928MHz

欧洲：863-870MHz

可靠连接：

跳频技术避免干扰提高可靠性：选取信道发送

强大的收发机制：小包快传技术（几十字节）控制发包长度，减少**扰的概率，快速反馈接收结果，提升了上行传输效率，缩短了终端发送时间，降低了终端功耗

也引入了PSM和eDRX技术。

通过小带宽大功率谱密度发射，提高覆盖穿透能力，最大半径10km。也用了上节提到的时域重传技术。

NB-IoT构建于蜂窝移动网络，而eLTE-IoT构建于免授权的ISM频谱。

网络架构：

eLTE-IoT向上可以跟第三方应用和平台集成，向下可以通过串口设备实现与第三方设备集成

eLTE-IoT的网元：

业务引擎：终端设备管理，终端与AIrNode接入认证鉴权，网络协议处理，数据转发，与第三方应用和平台对接

IoT一体化基站AirNode：轻量化基站，支持挂墙和抱杆安装。支持有线与业务引擎直连，以及3G、4G无线回传模块实现无线网络回传

用户接入终端CPE：

eLTE-IoT模组与网管设备

使用eSight管理业务引擎、基站、用户接入终端，实现设备管理和容灾备份。

第三章 窄带无线，海量物联：

3.1工业物联网网关

物联网网关：应对小范围，大量接入，负责上行汇聚，下行回传

工业物联网：

1.工业级严格要求（温度 -40~70 vs 0~40，湿度 5%-95% 防尘，防水，无风扇冷却，防电磁干扰）

2.工业协议众多 RS485，Modbus，Zigbee，RF

3.工业生产网和办公网的交叉融合，网络安全（木马，黑客）

4。运维复杂度高（站点分散，部署工作量大，管理困难）

工业物联网关：

为工业领域涉及，集路由、无线、交换、安全为一体的融合网关

支持GPRS，3G，LTE

工业级标准：

1.强电磁标准

2.振动冲击标准

安全：1.安全加密，2.集中管理。3。提供设备防攻击机制

升级：热补丁技术。在线平滑升级

便利：免现场调测，即插即用；用户侧设备远程集中管理

降低了运维成本，提高了运维效率

支持——边缘计算：在靠近终端或数据源的边缘节点，融合 联接，计算，存储，控制和应用等核心能力的额开放平台，满足实时，智能，安全的需求。

类比：边缘计算：脊髓中枢神经；云中心：大脑

可以降低时延，提高可靠性

下行通讯技术：

1.PLC

供电和通信二合一；支持自组网，设备上电即可使用

传统PLC——噪声 2MHz以下，也是窄带通讯区间；华为PLC技术主动避开这些区间，技术：通讯频段选择自适应技术（宽带电力线载波技术）

通过抗噪声技术，解决噪声，脉冲，

2.RF Mesh

Mesh技术：可以中继信号，扩展无线覆盖范围，网络自组织，自修复、流量自平衡；提升带宽，降低发射功率。

3.2 华为工业物联网解决方案

3.2.1 电力物联网

困扰：

（1）经济损失严重

a 设备：损坏；b 用电大户缺乏有效监控手段， c 用电分析不实时，存在偷电现象

（2）运营效率低，人力成本高

a 没有有效手段降低线路损耗 b 电费收缴难，周期长，拖欠严重 c 用电情况不透明，投诉多

（3）业务决策不实时不准确

a 停电管理无序 b 线路改造无依据 c 业务决策缺乏实时数据支持

需求：急需宽管道 实时传输海量信息

智能电网的趋势：

电力物联网——输、变、配、用四个环节，其中用电环节最重要

自动抄表。基础要求

抄表协议：DLMS，ModBus

主要价值：电力业务与应用

华为解决方案模块：

1.计费

2.预付费

3.数据管理MDM

4.客户关系管理CRM

3.2.2 城市照明物联网

挑战：

1.高昂的能源消耗：路灯能耗高

2.高运维管理层本：路灯多 ，巡检维护高

3.城市照明服务质量：恶劣条件

华为解决方案：

1.感知层：外置型路灯控制器 AR501L1Rc 符合ANSI C136.1标准接口，可以进行开关、调光、计划和采集数据

可以手机APP扫码安装。

2.网络层:通过RF Mesh或Zigbee技术接入到工业互联网关

网络汇聚，通过3G/LTE进行回传

3.平台层：Enerprise Energy Module作为后台软件，基于Agile Controller平台开发，提供REST接口

提供四个功能：设备管理、计划策略管理、远程升级管理和数据存储

4.应用层：基于GIS的路灯管理应用软件，CityConnect平台

方案特点：

1.通过路灯控制器控制路灯，按需照明，降低路灯的能源消耗

2.通过RF Mesh组网，获得低成本的海量路灯连接

3.通过app安装方式，降低安装和维护的成本

4.通过平台管理，保障系统的可靠运行

3.2.3 家庭智能网关

发展：

1.以前：拨号上网，点状网络

2.现在：光纤到户，星型结构，IPTV，围绕家庭网关

3.未来：家庭智慧网关，提供家居安防，家居自动化等智能互联业务，网状结构

智慧家庭网络：

1.基础宽带网络:LAN,WiFI,扩展AP   视频娱乐

2.智能互联网络:WiFi ,Zigbee,ZWave 安防监控，家居自动化

家庭网关的关键业务：

1.智能提速 游戏。监控视频实时备份。上行备份加速。

2.Wifi无缝覆盖 单ONT集中式wifi->分布式 扩展方式：a以太网ap，bPLC电力猫 c.无线中继器

3.智能互联与智能业务 USB Dongle扩展，实现zigbee,zWave

统一接入标准，统一UI界面 实现家居设备的控制和场景联动

4.智能运维 家庭网络状态的可视化管理

第四章 LiteOS操作系统

4.1物联网操作系统

操作系统发展：

PC时代：苹果+微软

互联网时代：Windows一统江湖

移动互联网时代：IOS+Andriod

物联网时代：

物联网操作系统的困境和要求

碎片化，方案复杂

支持不同硬件，通讯标准，应用场景

物联网操作系统的好处：

打破技术障碍和壁垒

提高操作性和可移植性

减小开发成本

适合开源社区的开发人员参与

物联网操作系统的挑战：

多传感器协同管理复杂

视频场景下性能、功耗要求高

开发语言编程效率低、上手难度大

LiteOS特点：

轻量级

低功耗

快速启动（毫秒级）

快速响应（微秒级）

华为产品LiteOS的使用场景：

华为B3手环，Mate手机的协处理器 （接管加速度传感器，降低待机功耗）

物联网解决方案：家居、停车、水表、照明等

4.2LiteOS的内核

1+N的架构：1个内核，N个中间件（互联框架、传感框架、安全框架和运行引擎）

内核：

任务管理

嵌入式：单进程多线程

任务即线程，支持抢占式调度和时间片轮转调度机制

功能：任务创建、删除、延迟、挂起、恢复、锁定任务调度、解锁任务调度

任务调度：锁定是锁住共享资源，防止其他任务访问

内存管理

动态内存：按需分配。会出现碎片。DLINK算法及Best Little算法。

静态内存：预设分配，不能按需申请。无碎片。BOX算法

中断管理

中断：暂停当前程序（根据中断请求），转而执行新程序（中断响应，中断处理）

功能：创建中断、删除中断、开关中断、恢复中断、中断使能、中断屏蔽。

队列管理

消息队列：可以在任务间通信。接收任务或中断的消息。

功能：创建、发送、接收、删除队列

事件管理

事件：可以在IPC通信

事件被触发，从一个任务调度到另一个任务上。

通信机制

信号量：任务间通信。用于同步或临界资源的互斥访问。可以帮助相互竞争的任务去访问共享资源。信号量表示有多少可以供访问的资源。

互斥锁：特殊的信号量。共享资源仅能被一个任务访问。

时间管理

通过芯片中的系统主频。每次触发时，会让系统执行一套指令

通过时钟源，MCU可以知道相对的时间（系统时间）。

CPU时间分片调度。tick 10ms

总结：

低功耗超小内核

基础体积10KB

高实时，高稳定性

支持动态加载和分散加载

支持功能静态裁剪

4.3LiteOS的框架结构

4.3.1互联框架

解决不同框架间的互联互通。提供完整的协议栈，降低开发门槛，提供了可灵活配置的应用profile，提供不同设备的互通

、

提供AgentTiny中间件，部署在终端上，可快速接入IoT平台

互联框架还可以优化mesh互联网，，满足海量终端组网。

eg：路灯网络中，LiteOS运行在MCU中，支持快速自愈，高可靠性和支持1000个节点，组网时间小于20mins

4.3.2传感框架

提供了多传感器的统一管理。屏蔽硬件细节，实现即插即用。提供基础算法和融合调用，方便开发者直接调用。

4.3.3安全框架

端云安全：双向设备认证。

传输安全：DTLS数据报安全传输协议。可解决数据被窃听、篡改和冒充。

终端安全：API认证。划分了安全区域。

安全存储：在芯片内部划分了不能被外部线程访问的空间。如指纹识别

4.3.4运行引擎

高性能，轻量级的JavaScript虚拟机：针对资源受限设备优化，简化系统集成，隐藏编程细节，兼容 第三方库，丰富平台功能以及安全性。

面向物联网的应用开发框架：开放API接口，接口设计良好，内核精简，利于开发人员平滑切换

第五章 物联网的几个应用场景：

5.1 智慧城市

背景：

市政管理 路灯管理：30%预算

高压钠灯--》节能灯

每日日初日落时间不一样。开灯关灯时间会不同。

高速和住宅区采用不同的策略

路灯控制跟车辆，人物传感器结合。

巡检。晚上需要加班

智能路灯：

控制开关

调节亮度

检测状态

传递数据到后台。

提高巡检效率。

综合考虑因素:

管理模式

收入水平

当地电价

地理位置

路灯管理模式：

zigbee

PLC

NB-IoT

LPWA

室内停车：使用摄像头对车牌拍摄，进行反向寻车

室外停车：地磁传感器Zigbee多跳（几百米-衰减大）-》LPWA技术

垃圾桶管理：稀疏人口管理检测垃圾桶是否满。进行应用规划

井盖管理：检测器难以传出来。LPWA技术使得传输可能。

天线放哪里？井盖就是天线。

智能水务：雨水含泥量高。造成通水能力下降。进一步采用传感器采集水流和水位。推算出清淤的需求。

5.2 消费电子

厂家诉求：如何使用ICT技术建立跟最终消费者的连接。增加用户粘性

案例：

亚马逊的一键下单按钮重新买。

卖-。送项圈。

白色家电：加入芯片。坏的时候先提醒。而不是等用户发现。

目的：

提高用户体验

提高口碑度

提高服务能力和质量。

5.3 绿色能源

（1）AMI（电力抄表，高级计量架构）以及其他表。。

输-电-配-用。 最早窄带PLC-->HiPLC  恶劣环境下电力线抄表。

不能有误差，否则要手工抄表

欧洲：prepaid

希望电力线能够实时采集前端用户的数据，15分钟或30分钟上传数据。。Hi-PLC唯一达到传输可靠性。网速最快。

（2）智能楼宇：

环境实时数据--》控制空调、窗帘、灯光--》达到节能效果。需防止影响舒适度的代价。

节能最高的效果：不牺牲人的舒适性把环境调整到最优的状态。

舒适度模型：

湿度

光照

风速

温度

穿衣

活动量

前端采集+上端管理策略

5.4 车联网

智能公交：

如何在用户旅行中叠加增值服务？

第三方内容运营公司建设车载娱乐系统，插播广告

车队管理服务。

电子站牌。

金融相关的业务。UBI：基于驾驶行为确定的保费。不同驾驶员对象费率不一样。

影响保险费率的因素：驾照年限，理赔历史，地址，停车位置等。

OBD盒子来采集 驾驶习惯。如急刹车和危险驾驶。--》数据分析--》影响保费。

物联网这块需要有一定的培育。

5.5 公共安全

平安城市：

深圳安防展。满眼摄像头 4K摄像头。 存储要求高。人是看不过来的。一个人看15分钟视频，会漏掉50%目标，看22分钟，会漏掉90%的目标。

引出：智能视频技术

很多技能前置了。如人脸检测等。可以达到100%的可靠性。

智能交通：闯红灯抓拍。采集车牌（线圈触发拍照，纯粹智能视频抠图）

（全文完，谢谢阅读）

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