文章发表于2025-04-17 09:29:39，归属【科技前沿】分类，已有41人阅读
什么是物联网（IoT）？
物联网包含两个要素：互联网和物品。互联网是一个由全球范围内相互连接的计算机组成的网络，这些计算机之间可以相互通信。物品则是指一些物理设备，比如传感器、智能手机和健身追踪器。
如果我们将这两个要素结合起来，就得到了 “物联网” 这个术语，它指的是一个由物理设备组成的网络。
在这个术语中，“连接” 这个词是不可或缺的要素，因为只有当物联网系统中的设备（或物联网设备集群）通过互联网连接在一起时，物联网系统才存在。如果我们中断连接并将所有设备分开，物联网系统就会不复存在，并且失去其优势。
因此，当我们谈论物联网时，我们谈论的是其设备之间的连接性。连接的设备越多，网络就越强大。
全球范围内连接设备的数量令人惊讶 —— 在 2023 年初，全球物联网网络中注册的各类设备达到了 130 亿台！这个数字几乎是全球总人口的两倍！
然而，这项技术不仅仅关乎设备。庞大的物联网生态系统在其架构中包含多达七个组件。让我们来详细了解一下这些组件！
物联网架构的七个组件
物联网的主要组件包括：设备、网络、云。
记住这些组件，您就可以构建一个简单的物联网生态系统。然而，您想要开发的系统越复杂，就需要使用越多的组件。
如果我们深入研究功能最齐全的物联网架构，会发现以下七个组件：
第一个组件：物联网设备。是任何网络的核心要素。它们是能够无线连接到物联网网络并且能够通过互联网传输数据的物理设备。
第二个组件：网络。是所有设备之间的纽带。网络由通信协议和方法构成，这些协议和方法使得设备之间能够相互通信、传输数据并连接到云端。
第三个组件：安全。是一个至关重要的组件，因为它管理着系统外部对物联网网络的访问权限，防止数据泄露等等。对于在生产中利用物联网的大型工业应用来说，安全组件可能至关重要，因为这些应用依赖于整个系统的稳定运行。为智能家居或个人使用生产大众产品的公司也应该特别关注这个组件，因为保护客户的隐私必须是首要任务。
第四个组件：网关。可以从字面上理解为您需要通过的一扇门。它是一个物理设备或虚拟平台，用于将传感器、物联网模块和智能设备连接到云端。
第五个组件：云。是物联网的大脑。它指的是云计算技术，用于存储数据，并使用各种方法对数据进行分析和管理。云是一个将杂乱无章的非结构化数据转化为有价值信息的地方。借助大数据和机器学习的力量，云为我们带来了诸如预测性维护、自动化等令人惊叹的成果。
第六个组件：应用程序。是一个图形界面，它允许用户、企业主、员工和其他人员与物联网系统进行交互，管理设备集群，查看设备状态等等。
第七个组件：用户。是所有影响物联网系统并从中受益的人。
借助这些组件，您可以描述任何物联网系统。然而，仅仅了解其结构是不够的。这只是理论，而要设计出高质量的物联网解决方案，您还需要掌握相关技能。接下来我们就来谈谈 “物联网设计” 这个术语。
物联网设计的含义
物联网设计是一种构建物联网架构各个部分的特殊方法。通常用于管理、存储和传输数据的方法并不足以处理物联网生态系统中的数据。开发方法必须适应物联网的特性。单个网络可能连接着数千个甚至更多的设备，物联网中的用户界面需要新的设计实践，物联网用户的体验与网页用户的体验不同，用户与物联网系统之间的交互和接触点也很独特。
物联网设计方法是一种在开发物联网系统时考虑到物联网特性的方法。这个术语涵盖了物联网架构的所有组件，从物联网设备及其硬件到应用程序和用户界面。“物联网设计” 这个术语包括设备的形状、材质、配色方案、云服务提供商、模块、应用程序等等。
物联网设计中的主要挑战
以下是物联网设计面临的挑战：
1. 隐私 —— 由于物联网设备会收集大量数据，有时甚至是个人性质的数据，确保隐私安全成为一个关键挑战。这包括保护传输中和存储中的数据安全，以及确保数据的合理使用。
2. 互操作性 —— 物联网设备使用不同的通信协议和标准。确保这些设备能够无缝连接并相互通信是一个关键问题。
3. 功耗 —— 许多物联网设备依靠电池运行，并且期望在长时间内无需充电即可运行。设计低功耗的物联网设备是一个重大挑战。
4. 可扩展性 —— 物联网设备的数量呈指数级增长。系统和网络必须设计成能够在不降低性能的情况下应对这种规模的增长。
5. 数据管理 —— 物联网设备产生的大量数据需要得到高效的存储、处理和分析。这需要强大的数据管理解决方案。
6. 连接性 —— 物联网设备需要保持连接才能正常运行。在不同环境（例如，农村与城市）中确保稳定可靠的连接是一项挑战。
7. 硬件限制 —— 物联网设备通常需要小巧、廉价且节能。这对可使用的硬件施加了限制，从而可能会限制设备的功能。
8. 法规合规性 —— 考虑到物联网应用的多样性，要在不同地区遵守不同的法规（如《通用数据保护条例》（GDPR）、《健康保险流通与责任法案》（HIPAA））可能相当具有挑战性。
9. 集成挑战 —— 物联网设备需要与现有系统、网络和应用程序集成。确保在不干扰当前操作的情况下实现顺利集成可能很困难。
实现卓越物联网设计的四个步骤
要全面涵盖这个主题可能需要一整本书的篇幅。鉴于此，我们不会详细描述每个步骤的细节。相反，我们将帮助您全面了解物联网设计的大致内容。
第一步：所有伟大的项目都始于调研
第一步是开发前阶段，在这个阶段您要确定其他人面临的一些挑战，并了解物联网如何解决这些挑战。这个步骤也被称为商业分析、发现阶段、市场调研或概念阶段。您需要了解您未来的解决方案能满足哪些需求，确定目标受众以及接触他们的方式，创建用户画像，描述分销渠道，寻找合作伙伴，起草财务计划等等。您还需要浏览市场，查看现有的类似解决方案。把自己想象成一家需要经历初创企业第一阶段发展的公司。
第二步：设计符合人体工程学的物联网设备
物联网设备集群是网络的支柱。所以在进行大规模生产之前，您应该仔细设计、制作原型、测试和制造设备。这是一个非常复杂的过程，尤其是当您计划使用多种类型的传感器和执行器时。面向终端用户的设备（如健身追踪器）必须符合人体工程学且使用简便，而对于工业设备来说，最大的挑战之一是电池续航能力。找到一个在物联网设备集群管理和生产方面有足够经验的可靠设备供应商也很有必要。
除了上述所有内容，您还需要了解使用物联网设备是否能够实现您的解决方案。物联网影响着各个行业，像医疗保健等行业的设备非常复杂，因为这些设备的精度必须接近 100%，而且运行中断可能会危及生命，所以这需要大量的资金和专业知识。另一方面，如果您的想法与智能家居相关，那么找到设备制造商或者自己制造设备就会容易得多。要在您的期望和实际可能性之间找到平衡。
第三步：精心设计物联网架构
整个物联网生态系统的系统逻辑和关键要素都在这个阶段确定。要特别关注网络特性和技术，因为它们必须能够处理所承载的流量。确定系统将要传输的数据类型：语音、视频、图片、文本等等。处理物联网流量需要满足特殊的网络要求。
第四步：物联网系统开发和设备集群部署
当物联网设备集群准备好进行部署时，就需要一个全面的系统来管理这个设备集群。使用专门的平台是开发这样一个系统的最佳方式。在选择平台提供商时，您应该研究他们支持的技术、是否能够注册来自不同供应商且使用不同协议的设备，以及平台的价格。
在设备集群部署之前，您需要在系统中创建每个设备的实例，记录关于每个设备的信息，为每个设备提供安全的存储位置，设置权限和访问权限等等。如果没有合适的物联网设备集群管理平台，设备接入可能会成为一个棘手的问题。而合适的平台可以提高生产效率，并有助于使设备配置的处理能力提高四倍。
最好的物联网平台有：（1）HomeKit（2）亚马逊网络服务（AWS）物联网设备管理服务（3）微软 Azure 物联网套件（4）Oracle物联网
如果您面向大众市场，这里还有一个额外的步骤，那就是构建一个快速且用户友好的应用程序。应用程序的开发生命周期包括设计和制作原型、编程、测试以及发布应用程序。
九大物联网设计最佳原则
原则一：提前考虑安全性。隐私和安全问题是物联网产品面临的关键挑战。不正确或不安全的软件可能会使网络面临黑客攻击和数据泄露的风险。此外，作为物联网更新管理的一部分，有必要建立适当的安全更新流程，以便有效且快速地部署安全补丁。
原则二：在真实环境中进行测试。物联网设备集群与环境相互作用，这使得它们容易受到各种物理因素的影响，如撞击、温度骤降、虫害等等。所有这些威胁在实验室条件下很难测试，所以有必要在设备预期运行的真实环境中对其进行测试。
原则三：在设备和应用程序开发中应用用户体验（UX）设计。用户体验设计的目标是提供友好的体验，并有助于满足用户的需求和要求。基于用户体验设计的物联网设计为终端用户和物联网系统带来了巨大的价值。
原则四：在连接中断时确保设备的自主性。物联网的核心在于连接性。然而，设备总会有与网络断开连接的时候。设备应该能够继续正常工作，并在连接恢复时传输收集到的信息。
原则五：将网关设置在尽可能靠近最多设备的位置。网关的位置应尽可能靠近物联网设备集群。这是为了在它们的通信中实现更低的延迟。
原则六：系统应易于扩展。物联网系统未来的增长直接取决于其在数据量和设备数量增加时有效扩展并保持稳定的能力。
原则七：建立用户对系统的信任。由于物联网常常处理敏感信息，您需要建立用户对系统的信任，以吸引更多用户。信任应该成为核心价值观之一。
原则八：只部署经过验证可用的产品。一旦连接的设备部署完成，由于成本高昂，用更新版本替换它们几乎是一项不可能完成的任务。这意味着在设备集群部署后发现的一个小错误都可能导致巨大的经济损失。因此，最好避免使用未经测试的硬件迭代版本，只部署经过验证可用的产品。
原则九：数据管理和分析应高效。物联网系统会产生大量的信息。除非系统学会如何将数据流转化为有价值的见解，否则这些数据将毫无用处。物联网系统能否产生价值，还是仅仅成为一个数据仓库，这取决于高效的数据管理和分析。
物联网设计中伦理层面的重要性
随着物联网设备和应用程序越来越普及，考虑物联网设计的伦理影响变得非常重要。一些关键的伦理考量因素包括隐私、安全、数据所有权和透明度。
例如，想象一个智能家居安全系统，它使用摄像头和传感器来监控一个家庭的活动。虽然这个系统可能在防止盗窃或入侵方面很有效，但它也可能收集关于这个家庭日常生活习惯的个人数据，如果这些数据落入坏人之手，可能会被用于恶意目的。
物联网工程师可以如何解决这个问题呢：
1. 实施安全措施：物联网设计师应该实施诸如加密和身份验证等安全措施，以保护用户数据不被未经授权的访问。
2. 制定透明的数据政策：物联网设计师应该制定透明的数据政策，明确解释正在收集哪些数据以及将如何使用这些数据，并在收集任何个人数据之前获得用户的同意。
3. 考虑对弱势群体的影响：物联网设计师应该考虑他们的设计可能带来的后果，特别是对儿童、老年人或残疾人等弱势群体的影响，并努力确保他们的产品对所有用户都是可访问和包容的。
4. 从设计之初就优先考虑隐私：物联网设计师应该从设计过程的一开始就将隐私考量纳入其中，而不是事后才考虑，即从设计之初就优先考虑隐私。
5. 对用户进行教育：物联网设计师应该提供清晰简洁的说明，指导用户如何安全可靠地使用他们的产品，同时提供资源让用户了解更多关于物联网安全和隐私的最佳实践。
优秀物联网设计示例
构建一个优秀的物联网设计并非易事。然而，我们设法找到了三个令人惊叹的例子，它们都遵循了我们上面提到的原则。
1. Whistle—— 用更好的技术提供更好的关爱。Whistle 是一款应用程序，它通过蜂窝网络连接到宠物身上的物联网设备。其目标是通过向宠物主人提供精确的数据来照顾宠物。该物联网设备监测宠物的关键行为，如抓挠、饮水、睡眠、舔舐和其他活动。然后对这些行为进行分析，并为宠物的健康状况打分。这个评分系统利用机器学习方法和来自 10 万多只狗的健康数据来评估宠物的行为并跟踪其健康状况。
2. Keymitt—— 智能门锁。Keymitt 提供带语音助手的智能门锁。Keymitt 应用程序非常方便且用户友好，并且兼容安卓和苹果智能手机。这个物联网解决方案比普通门锁安全得多，因为它通过向主人发送实时通知来确保隐私和安全访问。此外，与传统门锁相比，智能门锁有一个很大的优势 —— 您可以通过应用程序控制门锁，无需携带钥匙。
3. August Smart Lock Pro—— 无钥匙进入您的家。August Smart Lock Pro 是一款智能门锁，它允许用户使用智能手机远程控制门锁。它与亚马逊 Alexa 和谷歌 Assistant 等流行的智能家居平台集成，用户可以通过语音命令锁门和开门。这款智能门锁还包括一系列安全功能，如双因素认证和活动警报，以确保用户家的安全。该门锁还允许用户通过 August 应用程序向客人或服务人员提供临时访问权限，方便根据需要授予和撤销访问权限。
总结
物联网是一项了不起的技术，它有助于改变世界。然而，技术也需要不断发展 —— 这就是物联网设计出现的原因。尽管每个物联网系统都是独特的，与众多不同类型的设备相互作用，并且有各种不同的架构，但物联网设计包含了最有效的原则和实践，这些原则和实践有助于系统创造价值并提供有意义的用户体验。