Cypress公司

無論查看哪家調研公司的統(tǒng)計結果，都會發(fā)現(xiàn)同樣的答案——物聯(lián)網（Io T）將形成巨大的市場，根據(jù)互聯(lián)網數(shù)據(jù)中心（IDC）的，到2020年將有高達2 120億個聯(lián)網的“物”。“數(shù)十億個物”連接到互聯(lián)網上，將為消費者和企業(yè)帶來許多好處，但是隨著待處理信息量的陡增，它們將很快變得難以管理（見圖1）。內置微控制器和閃存的智能傳感器可以進行語境運算——在可能的地方提供本地處理功能，這有助于降低網絡復雜度、流量和巨大的物聯(lián)網設備數(shù)量。

圖1 不斷提升的連通性需求將推動物聯(lián)網節(jié)點數(shù)量的巨大增長

大部分物聯(lián)網節(jié)點將由位于互聯(lián)網邊緣的無線連接傳感器組成，這些設備會監(jiān)視本地環(huán)境中的活動和情況，并報告其基本數(shù)據(jù)或狀態(tài)。在理想情況下，這些無線傳感器組（不同傳感器的混合）將被配置為在傳感器節(jié)點內部進行數(shù)據(jù)處理，允許設備向使用802.15.4標準的網狀網絡廣播命令，而不是原始數(shù)據(jù)。在這個本地網狀網絡中，特定的可控設備將識別從傳感器組發(fā)出的命令類型，并執(zhí)行相應命令。

憑借自帶的處理能力和內存，該語境處理功能提供了高效的自動故障備份系統(tǒng)，確保在寬帶網絡或Wi-Fi連接斷開時不會失去本地控制。正如將在本文中討論的那樣，通過在更接近最有用的地方處理信息，可以產生較少的互聯(lián)網流量并減少物聯(lián)網設備的整體數(shù)量，該技術可以降低本地物聯(lián)網的計算復雜度。

ZigBee網狀網絡

為了提供信息的連通性，有大量不同的設備連接到互聯(lián)網中，因此需要建立本地網絡來管理傳感器，并控制特定語境下的節(jié)點。使用符合802.15.4標準、運行在網狀網絡的ZigBee是連接這些設備的一個通用方法。雖然802.15.4標準同時定義了集中控制的集群網絡，但在任何一個節(jié)點發(fā)生故障時網狀的實現(xiàn)方式顯得更有彈性。ZigBee網狀網絡由作為云網關的邊緣路由器、形成多跳連接網格并可作為控制節(jié)點的路由節(jié)點，以及在網絡邊緣包含傳感器和潛在執(zhí)行器的主機節(jié)點組成（見圖2）。

圖2 建筑物內典型的物聯(lián)網節(jié)點

這些包括邊緣路由器（云網關）、可以兼任控制節(jié)點的路由節(jié)點，以及包含傳感器/執(zhí)行器的主機節(jié)點。盡管可以采用集中式集群的實現(xiàn)方式（如圖2右側所示），然而在節(jié)點失效的情況下，采用ZigBee網狀網絡（如圖2左側所示）將具有更大的彈性。

通常情況下，這些傳感器節(jié)點會向連接到網關的傳感器匯聚設備，或在采用下一代智能網關時，直接向網關本身發(fā)送溫度、背景光亮度或定時開啟動作檢測等原始數(shù)據(jù)。智能網關通常擁有網絡智能來決定如何處理這些信息。如果沒有，可以將諸如能源使用、安全性等數(shù)據(jù)經過云發(fā)送到服務提供商來管理，并由智能手機來控制。

直接連接到智能手機的智能網關Wi-Fi，可以讓用戶根據(jù)收到的信息采取本地行動。而更新的服務提供商網關則實現(xiàn)了基于特定編程條件來決定采取何種本地行動的功能，例如該系統(tǒng)可以設定為在指定時長內沒有動作則關掉空調。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)也可以完成這項任務，但需要通過圖形用戶界面（GUI）進行多次操作。

物聯(lián)網設備能夠以節(jié)能的方式來管理基礎設施，但需要很多路由節(jié)點，而且常常需要網關來創(chuàng)建可控的明確動作。為了處理傳感器信息，首先需要創(chuàng)建一個相對復雜的程序運行在網關中，然后采取適當?shù)膭幼?，以一種有效的方式來控制本地物聯(lián)網設備，這也同樣適用于基于云的服務。分析傳感器信息的語境事件與傳感器本身的物理距離越遠，高效的控制系統(tǒng)創(chuàng)建起來就越復雜。對基于云的物聯(lián)網服務來說，如果服務提供商的調制解調器失去寬帶連接或本地網關失去Wi-Fi連接，與物聯(lián)網設備的連接將會斷開，網絡可能會從根本上失去所有的本地控制以及節(jié)約能源的機會。而在語境運算方式下工作的智能傳感器，提供了防止此類故障的第三級控制。

無線LED照明

智能LED照明系統(tǒng)是最容易想到的，在不遠的將來可以用最輕松的方式來安裝的物聯(lián)網設備之一。盡管有其缺點，但是這種方法帶來了通過便利的智能手機來進行調暗燈光和開關燈等操作的巨大機會。然而，要利用潛在的可能需要以特定的方式來實現(xiàn)和操作網絡，可以對LED燈進行編程，從而按照網關或云服務中的時間表來工作。智能網關有能力自動如此操作，而如果所有與云的無線連接都正常，云服務則可以管理這些動作。更有趣的方法是，能夠利用發(fā)自語境設置的被動信息來控制LED，而無需調度或云服務的干預。

有了ZigBee Light Link（光鏈路）無線LED燈，用戶在房間、家里或辦公室里安裝幾個燈泡就可以用輕量級協(xié)議棧搭建起一個無線網狀網絡。由于網狀網絡是自我創(chuàng)建和自我維護的，所以搭建它并不需要什么技術專長，而且在之后的一段時間內可以自動添加更多的設備。智能無線傳感器可以連接到這個網狀網絡，向將采取適當動作的智能網關或外面的云服務管理提供信息。無線LED照明網狀網絡組成見圖3。

智能傳感器節(jié)點通常擁有自帶閃存的MCU，以及與一組相關傳感器和無線模塊相連所需的串行連接。例如，家居照明控制系統(tǒng)中的傳感器組可能包括對環(huán)境光和運動的探測器。一旦傳感器節(jié)點注冊到智能網關網絡中，收集到的任何數(shù)據(jù)將具有給定位置的語境信息。網關或云服務可以指揮LED燈等本地可控器件按照預定義的優(yōu)先級來使用這些語境信息，這些特定LED燈裝置的管理仍然駐留在網關、云服務或智能手機中。

圖3 無線LED照明網狀網絡

隨著低成本、低功耗、自帶不同規(guī)格閃存MCU的引入，可以有效和直接地在傳感器節(jié)點中進行一些傳感器的信息分析。在這些智能傳感器節(jié)點中收集到的信息可以在本地處理，以提供語境關聯(lián)。智能傳感器可以基于本地傳感器的分析定義出一系列命令，而不是將原始信息發(fā)送到遠端進行處理。這種智能語境傳感器信息可以直接命令指配給它的本地設備，而無需網關或云服務的干預。

例如，在家庭網絡中，如果傳感器組檢測到在某指定區(qū)域內有30分鐘沒有活動出現(xiàn)并讀出一定的光亮水平，該設備可以直接向分配給該語境區(qū)域的本地LED燈發(fā)送調暗的命令，稍后智能傳感器會檢查是否發(fā)現(xiàn)其他活動。如果在給定時間內仍然沒有檢測到任何活動，將直接向LED燈發(fā)送完全關閉的第二條命令。

只有在網關沒有收到任何其他來源的更高優(yōu)先級的新近命令時，這些智能傳感器的命令才會對LED燈生效。LED燈對于智能傳感器直接命令的響應，也可以以信息形式發(fā)送給智能網關或網外的云。如果云服務已經啟動了一個服務程序，例如“出于安全考慮，在固定時間段內稍稍開一點燈”，由于其優(yōu)先級別更高，云服務命令可以被發(fā)送到LED燈，而忽略任何直接來自傳感器的控制信息，LED燈的傳感器自主控制將被覆蓋。一旦云服務動作完成，對LED燈智能傳感器的優(yōu)先覆蓋將被取消。

能量采集

使用能量采集技術可以實現(xiàn)一種智能無線網狀傳感器，創(chuàng)造出低成本的智能傳感器節(jié)點，而無需有線連接或更換電池（見圖4），這些設備可實際應用于語境運算的任何地方。

例如，精確放置的無線智能傳感器可以利用通過門口的人流數(shù)量來監(jiān)控流量，并管理在某個樓層或特定辦公區(qū)內連接的設備。無線運動傳感器的信息可以在能量采集PMIC的幫助下傳送到運行ZigBee光鏈路協(xié)議棧的網狀網絡。壓電發(fā)電機可以將人走在地毯上引起的壓縮等物理運動轉換為電能，來為無線智能傳感器供電。地毯內置的地板傳感器可以使用這種壓電能量采集方法來監(jiān)測人流量，并且僅在有人走過該區(qū)域時發(fā)送信息。

圖4 捕捉動能、光能、熱能或風能來運行低功耗無線傳感器的一種能量采集解決方案

圖5 無線傳感器節(jié)點入門套件

可用的無線傳感器系統(tǒng)的關鍵因素包括（見圖5）自帶適當閃存、具備快速啟動能力和帶有實時時鐘（RTC）的省電睡眠模式的低功耗MCU；以太陽能電池或壓電作為能量輸入，將能量存儲在超級電容或低維護長壽命的充電電池中的PMIC；低功率802.15.4收發(fā)機。

現(xiàn)在，在能量采集環(huán)境中監(jiān)測的是智能傳感器網絡中的焦耳數(shù)量，而不是電壓、電流或功率，執(zhí)行任務所需的能量是最新的關注轉變。

憑借在所需位置準確放置這些智能語境運算傳感器的靈活性，可以創(chuàng)建出更加高效的系統(tǒng)來被動管理LED燈等物聯(lián)網可控設備，而無需在智能網關或云服務中運行復雜的分析程序。沒有電線、不用更換電池、無需維護，就等于是簡化管理，節(jié)約了大量能源。

隨著物聯(lián)網的發(fā)展勢頭持續(xù)上升，問題不再集中于將來會有多少億的連網設備，由于不斷涌現(xiàn)技術新成果，現(xiàn)在關注的重點是如何有效地管理所有這些連接。智能傳感器的語境運算為物聯(lián)網發(fā)揮其潛能提供了一個重要的工具。

編后語：語境運算乍聽起來有些生僻，其實這個概念早在十多年就已經有了。隨著科學技術的飛速發(fā)展，語境運算也將會被賦予新的內涵和應用。為了幫助讀者更好地理解這篇文章，本期《學習園地》欄目刊載了一篇相關文章，深入淺出地講解了語境運算的概念。