了解这些秘密将使您的物联网硬件看起来很棒

物联网硬件由各种各样的设备组成，例如传感器、网桥和路由设备。这些物联网设备执行关键功能，管理诸如系统启动、通信、操作规则、安全以及检测详细操作和目标等基本任务。下文将介绍 MOKOSmart 提供的采用物联网技术的物联网硬件设备、物联网硬件构建模块、物联网软件架构以及常见的物联网硬件平台。此外，我们还将讨论部署物联网项目所需的基本物联网硬件要求，以及有关微控制器开发板、单板计算机和处理器的所有信息。

物联网硬件构建模块

在本节中，我们将讨论物联网硬件的一些构建模块。

 事

在物联网中，“物”指的是需要测量、监控或控制的资产。大多数物联网产品都将其智能设备与“物”完美结合。例如，自动驾驶汽车和智能冰箱等产品能够全面监控和控制自身。

在其他一些将“物”用作单独设备的应用中，必须链接特定产品以证明其具有智能功能。

数据采集​​模块

该物联网硬件组件专注于从被监控或观察的事物中获取物理信号。随后，它将这些信号转换为计算机可以轻松解读或操作的数字信号。所有有助于获取真实世界信号（例如压力、密度、温度、光、振动和运动）的传感器都包含在该物联网硬件组件中。所需传感器的数量和类型由应用决定。

此外，数据采集模块包含必要的硬件，这些硬件对于将来自传感器的信号转换为计算机使用的数字数据至关重要。这涉及输入信号的适应、解释、模数转换、缩放和噪声最小化。

数据处理模块

它包括用于处理数据的关键单元，执行本地数据存储、本地分析和其他计算操作等操作。

通讯模块

该模块允许云平台与云端或本地的第三方系统之间进行有效通信。

物联网硬件传感器

传感器是物联网硬件中最关键的部分。物联网传感器包含多个模块，例如电源管理模块、射频模块、传感模块和能量模块。它们非常适合以下应用：

• 接近
• 光学环境光
• 检测泄漏
• 测量温度和湿度
• 电磁学
• 加速
• 声学和振动
• 识别化学气体
• 移位
• 强制压力

传感器

没有传感器，物联网数据就无法存在。所有物联网传感器都会产生与物理资产成比例的模拟电信号。传感器使用 ADC（模数转换器）将这些模拟信号转换为数字数据。此外，还可以使用传感器测量电流、电感、电压、电阻和阻抗等简单的电气特性。

此外，还可以利用传感器测量磁场和电场的方向和强度。

传感器测量的非电特性使用换能器将物理特性转换为模拟电信号。

最常见的物理特性是；

• 速度、加速度、位移和振动等三维参数。
• 湿度和温度等生态特性。
• 液体流体动力学，如压力、流速和声音。

可穿戴电子设备

这些是佩戴在头部、手臂、颈部、脚部和躯干上的小型设备。目前市场上的一些可穿戴电子设备包括：

• 戴在头上的智能眼镜
• 戴在脖子上的项圈
• 戴在手臂上的智能手表

背包和其他一些衣物佩戴在躯干上

其他物联网硬件设备

我们每天都会使用平板电脑、手机和台式电脑等设备，它们是物联网系统的重要组成部分。手机可以实现远程功能和其他集成的修改设置。台式电脑则使用户能够全面控制系统。

平板电脑不仅使用户能够访问系统的主要功能，而且还可以用作远程、标准化的网络设备（如交换机和路由器）形成其他主要连接设备。

物联网硬件设备的特点

随着新型工业物联网硬件平台的快速推出，其格局也不断演变。物联网设备具有一些共同的关键特性，在选择用于配置新物联网网络或扩展和发展现有网络的硬件和软件时，这些特性可供评估。物联网设备具备以下基本功能：

连接方式

所有物联网设备都以网络连接为主要特征。当物联网设备进行本地通信时，它们使用云服务发布数据。大多数物联网设备通过无线方式传输信息，例如使用蓝牙信标、802.11（Wi-Fi）、蜂窝网络、RFID 或低功耗广域网 (LPWAN) 技术，如 SigFox、LoRa 或 NB-IoT。所有固定设备都配备有线通信系统。这些固定设备通常安装在工业控制应用、家庭自动化和智能建筑中。控制器局域网 (CAN) 或通用异步收发器 (UART) 等标准协议以串行通信的方式连接设备。

电源管理

便携式和可穿戴设备严重依赖光伏电池和电池等无线电源，因此电源管理是一个危险因素。大多数用户有时会将设备置于低功耗模式或睡眠模式以节省电量。这取决于用户的使用模式以及相关集成电路 (IC)、传感器或执行器的供电需求。随着连接组件数量的增加，设备的功耗也会随之增加。

微控制器开发板

微控制器是一种片上系统 (SoC)，能够处理数据并存储海量数据。它包含内存、处理器内核以及可擦除可编程只读存储器 (EPROM)，用于在微控制器上运行所有自定义程序。此外，微控制器开发板还具有额外的电气结构来支持微控制器，使其更有利于利用芯片进行编程或原型设计。

微控制器通过硬件总线或模拟或数字通用输入/输出 (GPIO) 引脚与执行器和传感器连接。所有连接到总线的组件都使用标准通信协议（例如 SPI 和 I2C）并通过 SPI 进行通信。当用户采用某些既定标准时，可以更轻松地替换或添加与总线连接的元件。

单板计算机 (SBC)

它们比微控制器更简易。单板计算机允许用户连接屏幕、键盘、鼠标等外围设备。此外，它还能提供更强大的处理能力和更大的内存。例如，微控制器配备 8 位 16KHz 微处理器，而单板计算机配备 1.2 GHz 32 位 ARM 微处理器。

微控制器开发板和单板计算机哪个更好？

在计划购买微控制器开发板或单板计算机时，务必根据应用需求，仔细考量设备的主要特性。此外，请参考以下决策：

• 必要时确定组件设计电路所必需的输出组件及外围传感器的数量和种类。
• 选择单板或微控制器来控制和协调外围系统的组件。
• 选择设备内通信所需的基本数据通信协议。例如，要在微控制器和连接的传感器之间进行通信，请使用 I2C 协议。
• 确定与应用程序和云服务通信所必需的协议和网络硬件。
• 将您进一步推进后预期实现的设计意图与您的物联网景观设计进行比较。
• 访问嵌入式软件、原型和设备设计，并选择最佳的应用程序和服务。您可以不时评估原型以及功能性和非功能性需求，例如安全性、性能和可靠性。然后重新审视您认为必要的选择。

部署 IoT 项目的 IoT 硬件要求

物联网设备仅在特定环境中运行，其硬件项目差异很大，因此高度专业化。尽管如此，您仍然可以通过使用通用的现成硬件进行原型设计，开发和设计定制的 PCB 及其组件，以满足您的物联网解决方案的需求。部署物联网项目时，必须考虑以下物联网硬件要求：

安全要求

安全是物联网的重要组成部分。在所有开发和设计阶段，考虑设备的安全需求至关重要。即使在原型设计阶段，也要确保任何设备捕获的数据的安全性和完整性。所有物联网设备、其网络、网站服务应用程序以及移动设备都适用安全要求。

易于发展

原型设计时，开发便捷性是首要考虑因素。它能够帮助用户快速高效地启动并运行物联网设备，从而捕获数据并与其他设备和云端互联。部署物联网项目时，请务必考虑 API 文档的质量、可访问性和可用性。此外，还要考虑设备制造商或开发团队提供的开发工具和支持。

数据采集、处理和存储要求

连接的传感器数量、捕获数据的分辨率以及采样率是决定待处理数据量的主要因素。它们也会影响数据存储和处理的要求。

连接要求

无线网络具有连接要求，例如工作范围、传输信号覆盖的距离以及预测的数据和传输量。在检查设备的连接要求时，务必考虑容错能力、设备的重新连接能力以及设备断开连接后重试发送数据所需的时间。

电源要求

电源需求主要受网络传输速率和设备中传感器数量的影响。因此，在部署物联网项目时，务必考虑设备是否需要移动电源（例如超级电容器或电池），或者是否需要硬接线供电。此外，还要了解电池的尺寸、容量要求、重量，以及电池耗尽后是需要充电、更换还是丢弃。如果电池是可充电的，请检查充电方式和充电频率。

物理设备设计要求

这些因素包括硬件设备的尺寸和外观。在设计物联网设备时，必须考虑设备安装的生态环境。例如，考虑设备是否需要加固或防水？作为车队监控应用的一部分，安装在卡车底部的所有设备都应始终受到保护，以确保即使在恶劣条件下也能正常工作。设备必须防水、防震、防尘、防震。

成本要求

原始硬件的支出以及传感器等相关组件是决定硬件价格的主要因素。其他决定硬件成本的因素包括持续运营成本，例如维护和电力成本。此外，还必须考虑某些设备驱动器和组件的合理许可费用。组装定制电路板比购买市售的现成开发板更昂贵。在物联网网络中扩展大量仪器设备时，使用专用硬件设备是更明智的选择。

加工厂

传感器捕获数据后，会对其进行处理，然后再将结果传送到云端。因此，生成后续传感器数据所需的数据处理量以及传感器的复杂性决定了处理级别。例如，温度读数只是一组设定值的平均值或单个数据值随时间变化的简单表示。此外，如果没有场景检测算法标记事件，就无法录制数字视频的安防摄像头可能会更加复杂。

根据处理数据的复杂性和所需的能力，需要四种物联网硬件处理类别。它们是：

基于 PC 的系统

基于 PC 的系统是可配置的平台，系统集成商可以使用廉价的典型处理器、现成的主板、机箱和电源轻松创建定制系统。广泛的本地数据存储功能主要由固态硬盘 (SSD) 或 TB 级硬盘提供。

移动系统

移动系统集成了嵌入式系统，其中包含针对智能手机和平板电脑优化的专用子集。所有移动系统都需要频繁充电，因为这些设备都由电池供电。这些本质上属于个人的设备拥有先进的电源管理系统功能，可以节省能源并延长设备的电池寿命。此外，移动系统还提供高性能的处理能力。

基于微处理器 (MPU) 的嵌入式系统

它们提供全面的功能和性能选项，以满足特定产品的需求。这些需求主要针对通信系统、消费电子、汽车和工业控制、医疗设备以及其他垂直市场应用。

基于微控制器 (MCU) 的嵌入式系统

这些系统所需的处理能力极低，并且能够提供低成本的解决方案。然而，微控制器是先进的植入式专用硬件模块，可以加速图像处理并执行安全功能，例如用于交换公钥/私钥的加密加速和真随机数生成 (TRNG)。

物联网硬件架构

微控制器单元可用于构建物联网设备硬件架构。系统的芯片资源、接口和功耗决定了微控制器单元的选择。为了完成物联网硬件设计，需要收集一些特性。这些特性有助于最终确定完美的物联网硬件原型以及必备物联网硬件套件的价格。它们包括：

• 执行器或传感器的类型
• 通讯接口类型
• 捕获和传输的数据量
• 数据传输频率

物联网软件架构

开源组件是物联网软件架构的基础。上图描绘了物联网架构在大多数系统中的普遍应用情况。Linux 无需局限于物联网硬件和软件开发，因此应用范围更为广泛。

目前，大多数公司都致力于提供可在无数物联网具体应用中使用的物联网框架。CoAP 协议因其专用于物联网应用而备受青睐。该协议还提供了与物联网设备连接的标准机制。

常见的物联网硬件平台

物联网应用的核心组件是物联网硬件平台。这些设备可以帮助您快速构建 DIY 原型或项目。物联网开发中最常用的一些硬件平台包括：

1. Raspberry Pi – Raspberry Pi 作为一种小型、廉价的计算板在技术爱好者、实验者和教育工作者中广泛传播。
2. Arduino（Genuino）——这是一个基于软件和硬件的开源原型平台，易于使用。
3. ESP8266 – 它连接一个 160 MHz 微控制器，具有访问和客户端点完整的 TCP/IP 堆栈以及带 DNS 的 Wi-Fi 前端。
4. 英特尔爱迪生——这个小型开发平台配备了 32 字节英特尔 Quark 微控制器和英特尔凌动 CPU。
5. Intel Galileo – 这款基于 Intel 架构的 AWS IoT 硬件平台是一个软件包和计算机硬件，与 Arduino 的屏蔽引脚兼容，适用于 Uno R3。
6. BeagleBone – 这种开放硬件很容易组装，因为它是一台小型开放软件计算机，可以插入家里的各种物品中。
7. Banana Pi – 这是一款单板计算机，其目标是小巧、便宜、灵活，适合日常使用。
8. NodeMCU 开发套件 - 该开发板基于 ESP1 Wi-Fi 芯片，集成了 PWM、ADC、8266-Wire、GPIO 和 IIC。
9. Flutter – Flutter 拥有高速 ARM 处理器、板载 IoT 硬件安全芯片、内置充电电池和稳定的远程无线通信。

开源在物联网硬件中无处不在

大多数物联网开发者都熟悉开源技术，超过 91% 的开发者在其开发堆栈的多个部分中应用开源软件、开源数据或开源硬件，这使得开源技术更具说服力。然而，不到 2% 的物联网开发者主要依赖专利技术，他们采用开源技术的可能性较小。物联网开源硬件在大多数物联网硬件公司中占据主导地位。无论开发者的动机是学习、娱乐还是赚钱，这种高使用率始终保持着。

开源是新的标准化

使用标准解决方案可获得与使用开放标准相同的生产力提升。此外，在开源中应用公共标准有助于解决互操作性挑战，这是新兴物联网面临的关键问题。务必考虑熟悉所用开源技术的新员工的培训费用。谷歌在将其 MapReduce 技术外包时就采取了这种做法。开源解决方案主要应用于 Azure 物联网硬件领域。

开源吸引开发者

开源在开发者中拥有巨大的热情，因为他们对开源提供的价值观和标准更加敏感。超过 78% 的物联网开发者更倾向于在至少一个开发领域尽可能地使用开源技术，而不是那些优于专有技术的替代方案。当一家公司运营并认可某个开源项目时，他们会在三个重要方面向开发者传递出其顶尖技术的信号。

1. 符合开发商的精神和道德
2. 强调您的解决方案价值和开发人员的支持
3. 将该技术视为前沿