技术力:阿里云揭示物联网云产品路标-阿里云开发者社区

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技术力:阿里云揭示物联网云产品路标

简介: 本文整理自物联网IoT专场中阿里云IoT事业部产品总监Jason,将和大家分享阿里云面向开发者的IoT云、管、边、端产品,同时从技术角度上介绍了IoT设备如何顺利上云、分析、开发、申请和应用这整条链路。

2019阿里云峰会·上海开发者大会于7月24日盛大开幕,本次峰会与未来世界的开发者们分享开源大数据、IT基础设施云化、数据库、云原生、物联网等领域的技术干货,共同探讨前沿科技趋势。本文整理自物联网IoT专场中阿里云IoT事业部产品总监Jason,将和大家分享阿里云面向开发者的IoT云、管、边、端产品,同时从技术角度上介绍了IoT设备如何顺利上云、分析、开发、申请和应用这整条链路。

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以下内容根据演讲视频以及PPT整理而成。

一、产品介绍

首先向大家介绍阿里云的云、网、边、端的一系列重点产品,并展示物联网数据如何通过这些产品在云、网、边、端流动。阿里云智能IoT产品整体如下图所示,主要包括物联网平台、一站式开发平台、物联网市场等。
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阿里云智能IoT中最核心的部分是物联网平台及其包含的产品(如下图所示),它们主要用于帮助用户更好地开发物联网应用。
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设备端产品

从设备端来讲,物联网是非常碎片化的,特别是硬件的类型多种多样,从小到大可以是sensor和server。众多类型设备要上云才能被感知。针对此,阿里云IoT提供了一系列的产品,可以根据硬件形式、开发形式以及环境的形式来帮助上云,核心产品类型有四个。
• 直联设备接入:阿里云跟大多数的半导体、芯片商、模组商会有合作,他们会在模组里面植入AliOS Things产品,通过模组来进行通信,使数据安全可靠地上云;如果没有植入AliOS Things产品,阿里云提供功能丰富的IoT SDK产品,支持开发者熟悉的多种语言,如C、Java和Python等,通过语言带动设备数据的交流,然后接到云上。
• 非直联设备接入:很多情况下有些设备可能需要有及时性,也可能链到云上时延要求比较高,或者是网络不是特别稳定,再或者是有些出于隐私的原因。针对这些情况,阿里云提供了一个产品叫做“边缘计算”。也就是把云里面可以用来对于数据进行计算的能力,放在离数据源非常近的地方,把边缘的数据进行计算,同时把不太能够接到云里面的设备,通过“边缘计算”Link IoT Edge这个产品接云上。
• 视频设备接入:这里要特别强调的一点是,边缘计算的其中一个形式是视频处理,这种形式目前在中国非常流行,视频处理过程中所有东西都放在云上的成本比较高,首先是时延,其次是流量数据非常大。这种情况非常适合使用Link Visual这个产品,当地的摄像头可以通过Link Visual接入,在本地进行处理,该产品被赋予了很多AI的视频处理能力。
• 网络管理:在物联网的网络中除了Wi-Fi,还有一些低功耗的网络,包括广义网、二级、三级、四级网等,如何管理并组织这些网络,通过管理与架构组织,使一些设备只用到某些通讯协议里,实现低功耗通讯协议的设备数据成功上云。

Link Platform

接下来是云部分的物联网平台,叫做Link Platform,它承载了IoT Hub的功能,通过Link Kit产品来将数据接入,它具有安全可靠、高并发的特点,支持设备同时接入。设备接入后通过Link Thing提供很多管理功能,比如生命周期管理、设备实时监控、OTA固态升级和设备影子等。设备实时监控可以将数据分流到其他阿里云的产品进行储存和分析,其次OTA固态升级对于用户来说也很重要,如果软件出了漏洞、故障,一定要有安全、可靠的OTA升级能力。

上图中两个橘黄色的部分分别是物模型和规则引擎:
• 物模型:如果设备通过AliOS Things或者IoT SDK接入的时候对产品有标准化的描述,那么上云后直接可以被赋予很多能力。标准化这块是阿里做得非常有前瞻性的一个功能,这在微软、亚马逊还是很滞后的,微软目前还没有做,亚马逊才刚刚开始做,而阿里已经做了很长时间。
• 规则引擎,数据接入后可以进行规则引擎分流,选择用户需要计算的部分。

数据获取后需要进行分析,为此阿里云提供了Link Analysis的产品,可以帮助用户进行数据管理、开发、流计算等。很重要的一点是,它可以帮助用户对数据进行可视化,包括2D、3D的可视化。

有了数据分析之后,需要为终端用户提供一个APP,但是很多IoT开发者主要跟硬件或者中间件打交道,很多情况下不具备前端或者WEB端的开发能力。为此,阿里云提供了支持IoT应用开发的产品IoT Studio,该产品支持用户通过托拉拽的形式进行IoT应用的开发,不需要你前端的开发能力,直接可以快速生成最后的APP。

Link Platform这部分还有一个比较重要的产品是物联网安全Link Security,它贯穿了整个阿里云物联网的基础平台,它的重要性很高,阿里云也在这部分付出了很多努力,目的是希望开发者不需要再投入额外的时间成本在安全上面。目前该产品已经包含了物联网里面几个比较重要的安全环节。比如说身份认证(ID2),每一个物联网都有一个身份,标识物联网的来源,如何管理以及如何认证。另外该产品还包括安全运营中心(SoC),用户在网上可以设置一些安全规则和安全条例来进行监控,比如监控OTA升级有没有做好,某些应用行为上是否可疑,是否会被攻击等。最后是可信执行环境(TEE),它在一些安全性要求比较高的场景下,可以帮用户进行软、硬件隔离,从而提供更高的安全性。

下面详细介绍上述过程中提到的几个比较重要的产品:

设备连接与管理

核心优势:物联网平台为海量设备提供类似于IoT Hub的功能,实现设备的高稳定、高安全、低成本的连接与管理,具有亿级设备长连接能力、百万级设备并发能力。对于一个公司而言自己实现这样的功能不太现实,因为这个投入的成本非常高。阿里云在这方面投入了很多技术开发成本,经过三年的运作,目前该平台已经非常成熟稳定并且低成本。开发者使用该平台上云后,可以被赋予前面所提到的多种基础能力,比如可以立刻看到相应的设备,并进行运维、实时检测、管理以及OTA升级等等。
典型客户:使用该产品的典型客户包括千万级智能家电、百万级智能多媒体广告屏、上亿级覆盖全市甚至全省的智能水/电/气表以及电力物联网等。
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具体案例:以上面提到的海量广告屏管理为例,阿里云广告屏用户的管理者把精力放在广告屏的内容上,然后把广告屏的开发交给阿里。结构上也很简单,两个通讯协议的入口,一个通讯协议通过MQTT把设备和数据内容输入到阿里云,另一个是通过HTTP将图片、视频等内容接入到阿里云,广告的运维管理包括内容都交由阿里来做。通过阿里云物联网平台提供的设备连接与管理功能,广告屏运营商可以大大节省用于更新广告的线下人力,在云上实现动态广告更新,实现更多样化的业务模式;并且基于物联网平台,广告屏运营商可以实现对设备精细化运维管理。
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数据分析与可视化

核心优势:数据上云后不可避免地需要进行分析,然而IoT设备数据具有数据碎片化、设备运维难、可视化成本高的痛点。因此,阿里云提供了数据分析与可视化Link Analytics的产品,为物联网开发者提供低成本、快速、灵活的数据分析与可视化服务,主要功能如下图所示,比如数据存储、数据分流和数据可视化等等。数据可视化支持2D和3D的可视化,比如某些设备要具体在地图上展示的时候需要展示热点图、布点图等。
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典型案例:以小孩的智能手表为例,某个小孩所佩戴的手表跑出某个区域的时候,在地图上可视,也可以进行报警。总之,2D、3D的可视模型化已经通过Link Analytics很好地支持,并供开发者方便地使用。
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边缘计算

在整个云、网、边、端架构中,边缘是非常重要的一环,尤其是以下四种场景中:
• 时延:司机在驾车的时候,需要不断看路况,如果前方有行人,司机必须做停止的动作。从自驾车将数据传到云上去识别前面的行人到停车,整个过程链路可能需要半秒,这半秒对自驾车不可接受的,因此在这种情况下时延是一个很重要的问题。
• 网络不稳定:很多设备通常在网络不稳定的场景下运行,如农田、煤矿、海上等,不可能每天24小时都有网络。
• 流量:通过摄像头所获取的高清视频如果都往云上传,那么占据的流量资源将会非常大。
• 隐私性:目前海外出口设备越来越关注隐私性,有些数据传到云上法规不允许,安全意识、隐私意识比较强的那些客户不买单,所以要有当地处理的机制,把个人信息有关的私密性信息处理掉。

核心优势:上述这些问题场景都需要边缘的计算来解决,为此,阿里提供了Link IoT Edge的产品,它可以将云上的计算能力特别是AI的计算能力下沉到边缘硬件上进行当地处理,也就是将运算移植到离数据最近的地方。另外云计算要一个一个接进来,本身带来行业属性的协议,像工业属性这些比较难接进来,因此阿里用Link IoT Edge进行无缝对接转换,,朝南可以理解自己有的协议,朝北将它们接入云。
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边缘计算现在做得最成熟的阿里产品叫Link Visual。通常情况下,在端侧有很多摄像头,这些摄像头通过国标或者其他类型的数据,与阿里的边缘计算平台Link Visual进行结合,在边缘进行处理。比如说,人脸识别在当地做,不用传上去,这样时延很快,当有非法闯入的时候可以立刻做报警响应。另外Link Visual包含了很多算法,用户可以拿起来接摄像头,然后做视频的处理。
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LinkWan

核心优势:Link Wan也是阿里非常有前瞻性的一个产品。前面提到,物联网设备网络比较多的是Wi-Fi、以太网、3G、4G。5G谈得比较多,但是才刚开始。除了广域网的协议,有些需要局域网的协议,低功耗的设备,如电表。有些厂商8年换一次,希望电一直在5年、10年里连续。上传的数据不是很频繁一天一次,传的数据也很小,是适用于低功耗这样的环境来做的,但是要求比较高,数据传输距离比较远。阿里致力于解决物联网设备局域网的问题,推出了叫做LinkWan组网的产品,帮助用户进行网络管理,还为用户提供一个网关,帮助用户做网关管理,用这些将支持节点的设备接入到阿里云上。
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这里给大家举一个具体的例子,下图左侧是LinkWan的结点,通过SDK把数据接到网关,然后在云上进行网关管理、网络管理和数据流转,包括物联网的流量管理等。物联网络管理平台提供网络快速搭建能力,网关可在一小时内部署完毕,解决讯号难以到达的地下室、无固定电源空间与海量设备的仓库场景,满足物流园区所需要的连接服务,透过Link WAN所提供的LoRaWAN网络服务,实现公里级通讯、长时低功耗与上万设备连接能力。
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具体案例:下图是阿里巴巴菜鸟园区的案例,整个园区4个基站覆盖总建筑面积大概20万平米,这种情况下布传统的Wi-Fi不现实,因为涉及范围太广、障碍多、节点密,容易产生冲突,另外设备比较多,比如货物堆高、水表、电表、温度、地磁等等,最后解决的方案是用LinkWan组一张大网,把这些数据很安全、可靠地接上云,接完以后几乎没有掉包,非常稳定又容易管理。
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Link Security

核心优势:安全,这一系列的产品从端到网到边,云、网、边、端都有一个共同的主题,这是贯穿着阿里在每一个点都分了很多安全的能力。这个安全能力Link Security这个物联网安全平台的产品来提供,它为构建可信物联网提供一些列基础型安全产品,及场景化安全解决方案,核心聚焦解决物联网设备安全、边缘安全、物联网应用的可信数据上云。

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具体功能:Link Security在端上、边上都提供了设备认证、密钥管理等功能。尤其是在端上,Link Security重点支持用户与硬件的一些安全能力进行结合。在连接层面,为保证连接安全,平台提供了轻量量化加密通道、业务数据加密、安全物联网网卡以及LoRa 密钥安全等功能。
另外,平台还还有一个产品工具,支持用户去不断地观测特定设备,当发现某些设备存在安全隐患的时候,可以及时、主动报告给用户。
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下图是阿里Link TEE 全球首款获得GLobal Platform TEE全配置的安全产品,GP是一个全球的认证软件在硬件产品中是否符合安全标准的组织。阿里巴巴Link TEE,在软硬件都支持TEE的情况下,用户可以实现Web上跑的APP与硬件分离,该产品对于安全性要求非常高的物联网产品非常实用,如核能发电、国家电力等。
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二、全链路开发

接下来要分享一些比较重要的产品及工具,来帮助开发者将设备连到云上,进行分析、联动和应用。这里所说的开发者大概分为三类:1)嵌入式开发者,可能是负责系统的开发;2)系统开发者,可能负责中间件开发,也可能专门负责系统上的数据分析、开发;3)应用开发者,可能负责前端APP开发。针对这三种开发者,阿里都提供了帮助开发的产品和工具。

如下图所示,以四种接入方式中的一种为例,从时间顺序上来介绍一条链路的整个过程。假设设备通过AliOS Things或者是IoT SDK接入,接入后可以通过IoT Studio来进行应用开发,通过整个流程让大家感知阿里IoT平台的云产品和技术。
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在介绍整个链路之前,首先简单介绍一下所有的设备、也是物联网的标准,以及所有的设备跟云是怎么连接。一般的连接是前面提到的MQTT、CoAP,其中MQTT用的比较多,通过这两个协议把关于设备的信息上传到云。阿里要把它做得更加安全,所以将协议放到管道里。关于内容的信息如图片、视频,可以通过HTTP传到云上。阿里云IoT默认使用的是MQTT,支持厂商根据需要进行连接。
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接下来快速过一下MQTT的工作原理,阿里在中间做了一个MQTT的Broker,用户的设备是产生数据MQTT的节点。对于消费者来说,IoT的模式是消费者对什么样的消息感兴趣。举个例子,某个空调产品的名字叫Jason,消费者对于这个空调的温度感兴趣,此时可以制定相关的规则,订阅所感兴趣的MQTT数据,让这台名为Jason的空调不断上报。另外还可以设置比如说空调到了多少度自动打开或者是自动关闭。等到这些数据接上来之后,然后在云上感知并运维这些数据,做出相应的动作。MQTT的优点主要有三个: 首先,它实现了数据的生产者与消费者解耦,对于生产者和消 费者来说编程更简单;其次,数据的生产者不用关心消费者何时接收数据;最后MQTT是建立在TCC的基础上,协议开销小,固定长度头部为2字节,对于IoT的小型产品很实用,非常高效,耗电比较少。
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AliOS Things 和IoT SDK已经帮开发者做了MQTT这些协议,需要也希望开发者一定要做的是:物模型描述。阿里云 有一个ICA 联盟,该联盟联盟制定了一些对物联网各类设备进行抽象描述的规则标准,叫做物模型。IoT平台(高级版)支持开发者类似搭积木式一样,快速完成一款设备的功能描述,平台也提供完全自定义的能力,创建设备的“属性”(Property)比如灯是开还是关、“服务”(Service)比如通过这个服务发一条指令可以把灯打开或者关掉、“事件”(Event)比如某个设备发生了什么状况,系统将自动为该设备生成一份JSON格式的物模型描述(Thing Specification Language,即TSL),用于实现设备之间的互联互通和智能分析。

开发者在对设备的物模型进行结构化描述了以后,可以立刻获得阿里云的一系列功能,包括运维、数据化分析、IoT Studio应用生成。最重要的一点是,经过物模型描述的设备之间可以互相感知并联动。比如开门后,可能要将灯或空调打开。虽然是不同类型的设备,但当大家都用了这样一个物模型,用了标准化模式之后,开发者就可以很简单地来进行更高层面的联动开发。这个希望广大开发者参与并将物模型描述好。
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物模型描述完后可以使用阿里提供的两种方式上云:
• AliOS+透传DTU和云端脚本。工业上讲存量比较多,老旧的设备提供一个串口,这种情况下建议大家用透传DTU的功能,它绑定了AliOS,一端支持串口,使得数据可以进去,里面加了AliOS,开发者不用考虑这些数据怎么传输,唯一要做的就是配一个产品设备的证书,其余的部分已经绑定在硬件里面,无需开发者再做其他额外的工作,可以直接上云。
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• 带有阿里云AliOS直连固件的WiFi模组。第二种可能是可以使用和阿里合作的厂商产品,目前大部分的厂商都跟阿里合作,已经预制了AliOS。这种情况下,开发者只需要通过三步也可以让MCU设备轻松上云:1) 通过AT指令将证书传到设备商;2)配网;3)知道是什么设备、又有网的同时,开发者可以在云上自己做脚本,把数据解释并脚本化,进行分析。
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除此之外,还可以通过Link Kit SDK的功能将设备接上云。Link Kit SDK是阿里云IoT提供给设备厂商用于快速将设备接入阿里云IoT物联网平台的代码功能集。让设备厂商专注于设备业务功能的开发,而不需要关注数据如何上云、如何保证连接可靠等。具体的功能包括MQTT/HTTPS/CoAP连云、物模型、Wi-Fi配网、OTA、设备本地控制、设备影子以及网关/子设备管理等。目前支持C、NodeJS以及Android等多种类型IoT设备的接入。
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简单介绍一下通过Link Kit SDK把设备接上云的流程(如下图所示):开发者首先需要配置SDK功能,抽取代码文件放到编辑环境中,如果是C SDK,需要实现HAL对接,如果是高级语言则不需要进行这一步。阿里目前提供了丰富的文档,开发者只需要参照example改一下参数,即可实现产品功能,进行功能调试并发布。下半部分展示的是不同的SDK配套到网关、设备上,通过不同的设备协议把设备接到阿里云上。
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设备通过前面提到的两种方法接入后,经过系列的分析,开发者可能要花费大量的实际花了比较大量的时间去生成最后要用的APP,这部分可以使用IoT Studio这个产品快速实现。它是阿里提供的物联网企业开发者的生产力工具,帮助物联网企业完成设备上云后的最后一公里。开发者不需要前端知识、代码编写,该产品提供可视化的组件,开发者只需要把它们串起来,然后就可以迅速搭出相应APP。如果是Web开发还可以申请域名进行发布运营,这样整个一套链路就做完了。
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下图展示了IoT支持的三种不同方式的可视化开发,Web可视化的开发、移动APP可视化开发和API服务开发。
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下图是IoT Studio客户,通过自己的组件或者是平台提供的组建,迅速搭成的最后的应用,包括Web和APP多种不同类型。
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IoT Studio的界面如下图所示。
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做出来的物联网应用最后可以放到生态圈中,那就是阿里做得非常前沿的平台,物联网市场。因为物联网本身的市场是非常碎片化,因此阿里做了一个集中式的市场,旨在凝聚所有的物联网应用,为用户提供硬件开发商、软件开发商、集成商以及标准解决方案。普通开发者的的应用打包上传,有的可以成为简单的应用,也可以和其他的东西组合在一起,成为标准的解决方案,这些都可以放在物联网的平台里。开发者可以通过它跟物联网整个生态接触,整个物联网的生态也通过它跟开发者进行接触。
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最后就是前面提到的ICA联盟,它是在2017年6月,依托阿里巴巴经济体商业场景,由阿里云IoT以标准与产业紧密结合为己任,联合物联网全产业链众多合作伙伴共同发起的。它旨在聚焦IoT碎片化、开发周期长、成本高等问题,数字化设备属性/事件/服务,沉淀云端物模型标准,降低设备接入成本,丰富应用生态。这对于开发者来讲非常重要,值得大家可以关注。通过将产品标准化以后,物联网产品开发可以做得非常快并且可以互相联动。目前, ICA组织在不断壮大,已经有五百多家企业链成员单位,很多国际公司在不断加入,同时有超过三十个行业白皮书,涵盖了六十多个技术范围,有一千多个主流IoT设备品类的物模型。
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