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物聯網硬體由各種各樣的設備組成，例如感測器、網橋和路由設備。這些物聯網設備執行關鍵功能，管理諸如係統啟動、通訊、操作規則、安全性以及偵測詳細操作和目標等基本任務。下文將介紹 MOKOSmart 提供的採用物聯網技術的物聯網硬體設備、物聯網硬體建置模組、物聯網軟體架構以及常見的物聯網硬體平台。此外，我們還將討論部署物聯網專案所需的基本物聯網硬體需求，以及有關微控制器開發板、單板電腦和處理器的所有資訊。
物聯網硬體建構模組
在本節中，我們將討論物聯網硬體的一些建置模組。
事情
在物聯網中，「物」指的是需要測量、監控或控制的資產。大多數物聯網產品都將其智慧型設備與「物」完美結合。例如，自動駕駛汽車和智慧冰箱等產品能夠全面監控和控制自身。
在其他一些將「物」用作單獨設備的應用中，必須連結特定產品以證明其具有智慧功能。
數據採集模塊
此物聯網硬體組件專注於從被監控或觀察的事物中獲取實體訊號。隨後，它將這些訊號轉換為電腦可以輕鬆解讀或操作的數位訊號。所有有助於獲取真實世界訊號（例如壓力、密度、溫度、光、振動和運動）的感測器都包含在該物聯網硬體組件中。所需感測器的數量和類型由應用決定。
此外，資料擷取模組包含必要的硬體，這些硬體對於將來自感測器的訊號轉換為電腦使用的數位資料至關重要。這涉及輸入訊號的適應、解釋、類比數位轉換、縮放和雜訊最小化。
資料處理模組
它包括用於處理資料的關鍵單元，執行本地資料儲存、本地分析和其他計算操作等操作。
通訊模塊
此模組允許雲端平台與雲端或本地端的第三方系統之間進行有效通訊。
物聯網硬體感測器
感測器是物聯網硬體中最關鍵的部分。物聯網感測器包含多個模組，例如電源管理模組、射頻模組、感測模組和能量模組。它們非常適合以下應用：
- 接近
- 光學環境光
- 檢測洩漏
- 測量溫度和濕度
- 電磁學
- 加速
- 聲學和振動
- 識別化學氣體
- 移位
- 強制壓力
感知器
沒有感測器，物聯網資料就無法存在。所有物聯網感測器都會產生與實體資產成比例的類比電訊號。感測器使用 ADC（類比數位轉換器）將這些類比訊號轉換為數位資料。此外，還可以使用感測器測量電流、電感、電壓、電阻和阻抗等簡單的電氣特性。
此外，還可以利用感測器測量磁場和電場的方向和強度。
感測器測量的非電特性使用換能器將物理特性轉換為類比電訊號。
最常見的物理特性是；
- 速度、加速度、位移和振動等三維參數。
- 濕度和溫度等生態特性。
- 液體流體動力學，如壓力、流速和聲音。
穿戴式電子裝置
這些是佩戴在頭部、手臂、頸部、腳部和軀幹上的小型裝置。目前市場上的一些穿戴式電子設備包括：
- 戴在頭上的智慧眼鏡
- 戴在脖子上的項圈
- 戴在手臂上的智慧型手錶
背包和其他一些衣物佩戴在軀幹上
其他物聯網硬體設備
我們每天都會使用平板電腦、手機和桌上型電腦等設備，它們是物聯網系統的重要組成部分。手機可以實現遠端功能和其他整合的修改設定。桌上型電腦則使用戶能夠全面控制系統。
平板電腦不僅使用戶能夠存取系統的主要功能，而且還可以用作遠端、標準化的網路設備（如交換器和路由器）形成其他主要連接設備。
物聯網硬體設備的特點
隨著新型工業物聯網硬體平台的快速推出，其格局也不斷演變。物聯網設備具有一些共同的關鍵特性，在選擇用於配置新物聯網網路或擴展和發展現有網路的硬體和軟體時，這些特性可供評估。物聯網設備具備以下基本功能：
系統連結
所有物聯網設備都以網路連接為核心。當物聯網設備與其他設備進行本地通訊時，它們會使用基於雲端的服務發布資料。大多數物聯網設備都透過無線方式傳輸訊息，例如使用 藍牙信標、802.11 (Wi-Fi)、蜂窩網路、RFID 或 LPWAN 技術（例如 SigFox、LoRa 或 NB-IoT）。所有非行動裝置都配備了有線通訊系統。這些固定設備要么安裝在工業控制應用、家庭自動化和智慧建築中。控制器區域網路 (CAN) 或通用非同步收發器 (UART) 等標準協定以串列通訊的形式連接設備。
電源管理
便攜式和穿戴式裝置嚴重依賴光伏電池和電池等無線電源，因此電源管理是危險因子。大多數用戶有時會將裝置置於低功耗模式或睡眠模式以節省電力。這取決於使用者的使用模式以及相關積體電路 (IC)、感測器或致動器的供電需求。隨著連接組件數量的增加，設備的功耗也會隨之增加。
微控制器開發板
微控制器是一種系統單晶片 (SoC)，能夠處理資料並儲存大量資料。它包含記憶體、處理器核心以及可擦除可程式唯讀記憶體 (EPROM)，用於在微控制器上執行所有自訂程式。此外，微控制器開發板還具有額外的電氣結構來支援微控制器，使其更有利於利用晶片進行程式設計或原型設計。
微控制器透過硬體匯流排或類比或數位通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳與執行器和感測器連接。所有連接到匯流排的元件都使用標準通訊協定（例如 SPI 和 I2C）並透過 SPI 進行通訊。當使用者採用某些既定標準時，可以更輕鬆地替換或新增與匯流排連接的元件。
單板計算機 (SBC)
它們比微控制器更簡易。單板電腦允許使用者連接螢幕、鍵盤、滑鼠等周邊設備。此外，它還能提供更強大的處理能力和更大的記憶體。例如，微控制器配備 8 位元 16KHz 微處理器，而單板計算機配備 1.2 GHz 32 位元 ARM 微處理器。
微控制器開發板和單板計算機哪個比較好？
在計劃購買微控制器開發板或單板計算機時，請務必根據應用需求，仔細考慮設備的主要特性。此外，請參考以下決策：
- 必要時確定組件設計電路所必需的輸出組件及外圍感測器的數量和種類。
- 選擇單板或微控制器來控制和協調外圍系統的組件。
- 選擇設備內通訊所需的基本數據通訊協定。例如，要在微控制器和連接的傳感器之間進行通信，請使用 I2C 協定。
- 確定與應用程式和雲端服務通訊所必需的協定和網路硬體。
- 將您進一步推進後預期實現的設計意圖與您的物聯網景觀設計進行比較。
- 存取嵌入式軟體、原型和裝置設計，並選擇最佳的應用程式和服務。您可以不時評估原型以及功能性和非功能性需求，例如安全性、效能和可靠性。然後重新審視您認為必要的選擇。
部署 IoT 專案的 IoT 硬體需求
物聯網設備僅在特定環境中運行，其硬體專案差異很大，因此高度專業化。儘管如此，您仍然可以透過使用通用的現成硬體進行原型設計，開發和設計客製化的 PCB 及其元件，以滿足您的物聯網解決方案的需求。部署物聯網專案時，必須考慮以下物聯網硬體需求：
安全要求
安全是物聯網的重要組成部分。在所有開發和設計階段，考慮設備的安全需求至關重要。即使在原型設計階段，也要確保任何裝置擷取的資料的安全性和完整性。所有物聯網設備、其網路、網站服務應用程式以及行動裝置都適用安全要求。
易於開發
原型設計時，開發便利性是首要考慮因素。它能夠幫助用戶快速且有效率地啟動並運行物聯網設備，從而捕獲資料並與其他設備和雲端互聯。部署物聯網專案時，請務必考慮 API 文件的品質、可存取性和可用性。此外，也要考慮設備製造商或開發團隊提供的開發工具和支援。
資料採集、處理和儲存要求
連接的傳感器數量、捕獲數據的分辨率以及採樣率是決定待處理數據量的主要因素。它們也會影響資料儲存和處理的要求。
連接要求
無線網路具有連接需求，例如工作範圍、傳輸訊號覆蓋的距離以及預測的資料和傳輸量。在檢查設備的連接要求時，請務必考慮容錯能力、設備的重新連接能力以及設備斷開連接後重試發送資料所需的時間。
電源要求
電源需求主要受網路傳輸速率和設備中感測器數量的影響。因此，在部署物聯網專案時，請務必考慮設備是否需要行動電源（例如超級電容器或電池），或是否需要硬接線供電。此外，也要了解電池的尺寸、容量需求、重量，以及電池耗儘後是需要充電、更換還是丟棄。如果電池是可充電的，請檢查充電方式和充電頻率。
實體設備設計要求
這些因素包括硬體設備的尺寸和外觀。在設計物聯網設備時，必須考慮設備安裝的生態環境。例如，考慮設備是否需要加固或防水？作為車隊監控應用的一部分，安裝在卡車底部的所有設備都應始終受到保護，以確保即使在惡劣條件下也能正常工作。設備必須防水、防震、防塵、防震。
成本要求
原始硬體的支出以及感測器等相關組件是決定硬體價格的主要因素。其他決定硬體成本的因素包括持續營運成本，例如維護和電力成本。此外，還必須考慮某些設備驅動器和組件的合理許可費用。組裝客製化電路板比購買市售的現成開發板更昂貴。在物聯網網路中擴展大量儀器設備時，使用專用硬體設備是更明智的選擇。
處理器
感測器捕獲資料後，會對其進行處理，然後再將結果傳送到雲端。因此，產生後續感測器資料所需的資料處理量以及感測器的複雜性決定了處理等級。例如，溫度讀數只是一組設定值的平均值或單一資料值隨時間變化的簡單表示。此外，如果沒有場景偵測演算法標記事件，就無法錄製數位影片的安防攝影機可能會更加複雜。
根據處理資料的複雜性和所需的能力，需要四種物聯網硬體處理類別。它們是：
基於 PC 的系統
基於 PC 的系統是可配置的平台，系統整合商可以使用廉價的典型處理器、現成的主機板、機箱和電源輕鬆創建自訂系統。廣泛的本機資料儲存功能主要由固態硬碟 (SSD) 或 TB 級硬碟提供。
移動系統
行動系統整合了嵌入式系統，其中包含針對智慧型手機和平板電腦最佳化的專用子集。所有行動系統都需要頻繁充電，因為這些設備都由電池供電。這些本質上屬於個人的設備擁有先進的電源管理系統功能，可以節省能源並延長設備的電池壽命。此外，行動系統還提供高效能的處理能力。
基於微處理器（MPU）的嵌入式系統
它們提供全面的功能和性能選項，以滿足特定產品的需求。這些需求主要針對通訊系統、消費性電子、汽車和工業控制、醫療設備以及其他垂直市場應用。
基於微控制器（MCU）的嵌入式系統
這些系統所需的處理能力極低，並且能夠提供低成本的解決方案。然而，微控制器是先進的植入式專用硬體模組，可加速影像處理並執行安全功能，例如用於交換公鑰/私鑰的加密加速和真隨機數產生 (TRNG)。
物聯網硬體架構
微控制器單元可用於建構物聯網設備硬體架構。系統的晶片資源、介面和功耗決定了微控制器單元的選擇。為了完成物聯網硬體設計，需要收集一些特性。這些特性有助於最終確定完美的物聯網硬體原型以及必備物聯網硬體套件的價格。它們包括：
- 執行器或感測器的類型
- 通訊介面類型
- 擷取和傳輸的資料量
- 資料傳輸頻率
物聯網軟體架構
開源元件是物聯網軟體架構的基礎。上圖描繪了物聯網架構在大多數系統中的普遍應用情況。 Linux 無需局限於物聯網硬體和軟體開發，因此應用範圍更為廣泛。
目前，大多數公司都致力於提供可在無數物聯網具體應用中使用的物聯網框架。 CoAP 協定因其專用於物聯網應用而備受青睞。該協議還提供了與物聯網設備連接的標準機制。
常見的物聯網硬體平台
物聯網應用的核心元件是物聯網硬體平台。這些設備可以幫助您快速建立 DIY 原型或專案。物聯網開發中最常使用的一些硬體平台包括：
- Raspberry Pi – Raspberry Pi 作為小型、廉價的計算板在技術愛好者、實驗者和教育工作者中廣泛傳播。
- Arduino（Genuino）－這是一個基於軟體和硬體的開源原型平台，易於使用。
- ESP8266 – 它連接一個 160 MHz 微控制器，具有存取和用戶端點完整的 TCP/IP 堆疊以及帶有 DNS 的 Wi-Fi 前端。
- 英特爾愛迪生－這個小型開發平台配備了 32 位元組英特爾 Quark 微控制器和英特爾凌動 CPU。
- Intel Galileo – 這款基於 Intel 架構的 AWS IoT 硬體平台是一個軟體包和電腦硬件，與 Arduino 的屏蔽引腳兼容，適用於 Uno R3。
- BeagleBone – 這種開放硬體很容易組裝，因為它是一台小型開放式軟體計算機，可以插入家中的各種物品中。
- Banana Pi – 這是一款單板計算機，其目標是小巧、便宜、靈活，適合日常使用。
- NodeMCU 開發套件 - 該開發板基於 ESP1 Wi-Fi 晶片，整合了 PWM、ADC、8266-Wire、GPIO 和 IIC。
- Flutter – Flutter 擁有高速 ARM 處理器、板載 IoT 硬體安全晶片、內建充電電池和穩定的遠端無線通訊。
開源在物聯網硬體中無所不在
大多數物聯網開發者都熟悉開源技術，超過 91% 的開發者在其開發堆疊的多個部分中應用開源軟體、開源資料或開源硬件，這使得開源技術更具說服力。然而，不到 2% 的物聯網開發者主要依賴專利技術，他們採用開源技術的可能性較小。物聯網開源硬體在大多數物聯網硬體公司中佔據主導地位。無論開發者的動機是學習、娛樂還是賺錢，這種高使用率始終保持著。
開源是新的標準化
使用標準解決方案可獲得與使用開放標準相同的生產力提升。此外，在開源中應用公共標準有助於解決互通性挑戰，這是新興物聯網面臨的關鍵問題。務必考慮熟悉所用開源技術的新員工的培訓費用。谷歌在將其 MapReduce 技術外包時就採取了這種做法。開源解決方案主要應用於 Azure 物聯網硬體領域。
開源吸引開發者
開源在開發者中擁有巨大的熱情，因為他們對開源提供的價值觀和標準更加敏感。超過 78% 的物聯網開發者更傾向於在至少一個開發領域盡可能地使用開源技術，而不是那些優於專有技術的替代方案。當一家公司運作並認可某個開源專案時，他們會在三個重要面向向開發者傳遞出其頂尖技術的訊號。
- 符合開發商的精神和道德
- 強調您的解決方案價值和開發人員的支持
- 將該技術視為前沿
