2022物联网碎片化难题解决得怎样了?
作者 | 果壳硬科技2022-02-24

物联网( IoT ,Internet of things )即“万物相连的互联网”,是互联网基础上延伸和扩展的网络,将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络,实现任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。

这一概念于1999年被正式提出,2010年左右开始快速发展。根据IoT Analytics的预测,2025年,全球物联网设备连接数将超过300亿[1]。

看起来,一个“万物互联”的美好画卷正在徐徐展开。

虽说已经进入高速发展期,但物联网整体仍呈现“碎片化”特征。仅有小范围的设备能够彼此相联,实现互认、互通、互操作。而在更大的范围内,设备仍然是孤立的。

究竟是什么阻碍着智能设备的全面互联?物联网又该如何从破碎走向统一?这是本文将要讨论的问题。

碎片化“三宗罪”

究竟是什么导致了物联网IoT碎片化?

全球设备连接数

全球设备连接数,图源 | IoT Analytics

根据IoT Analytics的统计及预测,2020年,全球共有117亿台物联网设备。联网设备数量第一次超过了非联网设备[1]。

接入网络中的设备越来越多了,但真正的“万物互联”并没有因此到来。

根据中国信通院的判断,当前物联网产业整体处于“爆发前期向爆发期的过渡阶段”,且爆发前期仍将持续数年。这一时期的特点,即“部分行业初步实现规模化和局部互联互通”[2]。

在智能家居领域,普通用户可以直观感受到这一点。当用户购买不同品牌的硬件产品时,往往要分别下载相应APP才能实现智能化控制,如:智慧生活(华为)、米家(小米)、美的美居、海尔智家、格力+……并且,这些产品通常难以实现跨品牌联动。

在更为复杂的工业场景中,单一企业所需的生产设备、传感器、智能终端等硬件数量较多,不同类型设备支持的传输协议更是千差万别。而不同领域的工业企业,由于生产场景、流程、原理不同,导致自动化、信息化、智能化的程度也差异较大。因此,不仅单一企业内部设备难以全面互联,跨企业的模式复制也难以实现,标准化、规模化的物联网更是无从谈起。

为什么当前物联网会如此“碎片化”?除了与终端设备本身的多样性和非标性特点有关之外,这还与设备之间复杂的信息传输协议有关。而这种碎片化体现在物联网的产业链的传输层(网络层)、平台层、应用层之上。

物联网产业链

物联网产业链,图源 | 亿欧智库


罪责一:传输协议不统一

在传输层/网络层上,拥有不同的无线/有线标准,缺乏标准的各种协议使得物联网平台错综复杂。

1.有线协议

USB就是一种常见的有线传输协议。而其他的有线协议常用于工厂等复杂场景中。

由于物联网应用场景复杂多样,且不同场景下适用的终端硬件和传输协议各不相同,产业界很难形成统一规范。例如,在工业这样的特定领域中,就有RS232、RS485、CAN、ModBus、Profinet等数十种不同层级的标准协议。而在此基础上,巨头企业还会根据业务需要衍生出各自的私有协议,导致实际应用中的协议不计其数。不同企业之间,如果不了解对方的私有协议,设备就无法互联、互认,也就无法实现针对不同设备的统一控制。

2022年,物联网碎片化难题解决得怎样了?

几种典型的工业协议

几种典型的工业协议,制表 | 果壳硬科技

信息来源 | 公司、产品官网

2.无线协议

有线传输协议需要设备之间通过物理线相连,应用较为不便。因此,灵活的无线协议则应用在更多的场景中。如广泛应用在智能家居领域的Wifi、蓝牙、Zigbee,以及应用在工业、能源等领域的NB-IoT、LoRa等。

无线传输协议的区别主要在于速率、功耗、传输距离等,有些也涉及到使用的无线电频谱是否需要运营商的授权。同样地,硬件生产商可以根据需要在通用标准协议上进行修改,使得该品牌下的硬件只能支持特定的私有协议,而无法和使用同样标准协议的其他硬件互联互通。

2022年,物联网碎片化难题解决得怎样了?

罪责二:都想立自己的牌坊

针对众多错综复杂传输协议,各方都纷纷出手,或抱团取暖或抢占山头,都希望建立自己的标准框架,一统江湖。

最初,行业联盟和巨头企业分别建立了自己的技术标准。如成立于2002年的Zigbee联盟(现更名为CSA),由数百家企业组成,共同制定和维护Zigbee无线通讯技术标准;IT巨头也建立了各自的物联网协议框架,如高通的AllJoyn、三星的Thread,谷歌的Weave等。

此后,巨头企业开始各自圈地,打造跨品类的生态互联。例如苹果推出HomeKit、小米推出米家等。设备厂商通过接入巨头企业的平台,实现与相应生态内的设备互联。

但一通操作下来,各巨头圈地自萌,仅仅是形成了众多的“小生态”。产业界依然没有广泛接受的协议,更没有围绕该协议形成统一的硬件生态。

罪责三:跨生态物模型不互认

物模型指的是物理空间中的实体(即终端设备)在数字世界的抽象化表示。通过对终端设备的属性、状态、功能、事件等信息进行统一的数字化描述,即可在数字世界实现对设备的管理与控制。

阿里云物联网平台对物模型的使用说明

阿里云物联网平台对物模型的使用说明,图源 | 阿里云IoT官网

物模型的建立完全屏蔽了底层的物理硬件及协议差异,在物联网平台接入某个物模型后,就可以直接在平台上控制该设备,并实现多设备通信了。

目前,中国移动、阿里云等巨头企业基于自身的生态体系定义了物模型,并应用在智慧城市、智慧园区等需要多设备接入的复杂场景中。但对于跨生态的物模型互认,仍然需要建立一定的标准。

由此,就造成了物联网领域的“碎片化”现状。

如何实现“碎片”整合?

为了推进物联网整合,产业界正在推进一系列探索。由于物联网产业链存在着感知-传输-平台-应用的层级结构,每一层的“差异化”都可以通过更高层级的“屏蔽”来达到整合的目的。国际机构、政府、运营商、产业联盟、IT巨头等多个角色均参与其中,一方面共同推进标准建立与应用落地,另一方面也是为了保证自己的话语权,在互联生态中抢占核心地位。

传输层:通信标准联姻

复杂多样的传输协议是造成物联网碎片化的一大原因。IT巨头企业及物联网行业联盟等纷纷抱团,希望能够统一标准,建设适用于更大范围的互联协议。

由于消费物联网发展早期领先于产业物联网,智能家居往往是巨头和联盟确立行业标准的切入点。

2019年底,亚马逊、谷歌、苹果等巨头联手Zigbee联盟,建立了CHIP(Connected Home over IP,现更名为Matter)组织。CHIP将现有的物联网通讯标准聚合起来,定义了一个新的集成标准,期望实现不同品牌下各种智能家居产品的兼容。不过,要等到各大硬件生产商推出兼容该标准的产品,仍需要一段时日。

CHIP协议架构

CHIP协议架构,图源 | GitHub-CHIP

国内也不甘落后。2020年底,在工信部的指导和支持下,24位两院院士联合阿里、百度、京东、小米、华为、信通院、中国电信、中国移动等单位联合成立了OLA(Open Link Association),致力于“由企业级生态到产业级生态的升级”、“促进万物智联领域的标准制定、示范应用、产业生态构建”等[3]。

目前,OLA以智能家居为突破点,未来将拓展到智能制造、建筑与能源等多个领域。

低功耗广域连接设备数预测

低功耗广域连接设备数预测,图源 | statista

而在产业物联网领域应用前景广阔的低功耗广域连接中,NB-IoT和LoRa正成为典型代表。根据Statista的预测,到2023年,NB-IoT和LoRa的设备连接数将占整个低功耗广域连接的85%以上[4]。

2014年,华为和沃达丰(Vodafone)首先提出了窄带物联网技术NB-M2M;2016年,国际标准化机构3GPP完成并冻结了NB-IoT的核心标准;2020年,ITU(国际电信联盟)确认了3GPP提出的5G标准技术,其中,由中国提出的NB-IoT正式成为5G标准技术之一。

NB-IoT具有低功耗、覆盖广、海量连接等优势特点,适用于远程抄表、智能门锁、智能停车、智慧农业等场景。近年来,我国正大力推广NB-IoT技术应用:工信部发文推动NB-IoT基站建设、技术标准制定等[5];三大运营商也分别对NB-IoT通信模组进行大额补贴,全面提升设备连接数。

NB-IoT属于运营商网络,而LoRa则允许企业自建,使用免费的非授权频谱。2013年,美国升特(Semtech)公司推出了LoRa芯片,并于2015年牵头成立了国际LoRa联盟。截至2020年,已有148家网络运营商在162个国家部署了LoRa[6]。2021年末,ITU正式认可LoRaWAN(基于LoRa设计的通讯协议和系统架构)作为物联网国际标准。

平台层:软件生态合体

对于巨头企业来说,通过建设物联网云平台或底层操作系统,能够打通产业链的上下游,聚集各环节的开发者,从而形成生态闭环,在生态内实现海量设备互联。

1.物联网云平台:

物联网云平台一般有以下几种实现互联的模式:

  • 硬件接入模式:

以小米为代表。硬件厂商可以通过小米IoT模组/SDK、或云云对接的方式接入米家开发者平台。终端用户则直接在米家APP上对接入平台的硬件进行智能控制。

通过投资、OEM、合作等多种模式,小米逐渐形成了自己的IoT生态体系。目前,米家平台接入的产品已超过2700款[7]。

  • PaaS模式:

以涂鸦智能为代表,为硬件厂商提供了软件开发基础能力。基于涂鸦PaaS的开放框架,硬件制造商可以低门槛开发自有的智能APP。而所有“Powered by Tuya”的产品,都加入了同一个互联互通的生态,用户可以用一个APP去控制该生态下不同品牌及品类的产品。

  • “端-边-云”一体化模式:

以阿里云IoT、华为云IoT为代表。一体化的物联网平台能够实现跨层级的资源整合。基于巨头企业搭建的平台,硬件厂商或开发者能够快速实现硬件接入,并在后续通过平台功能实现统一控制。例如设备认证、生命周期管理、监控诊断、场景联动、数据分析等等。

在国外,亚马逊AWS IoT平台和微软AZure IoT平台成为多数开发者首选的物联网平台,其中选择AWS IoT的开发者占51.8%。但国内目前尚未出现领先的平台[2]。

2.物联网操作系统:

由于物联网硬件本身的多样化,基于不同操作系统进行上层软件开发,就难以实现统一的编程接口与编程环境。当多个设备想要跨系统互联时,则会存在较大的对接难度。

而基于同一操作系统开发,就能够屏蔽底层硬件的物理差异,实现功能层面的抽象建模和统一接口。例如,通过预集成多种传输协议、适配多种芯片架构、提供统一的API接口等方式,物联网操作系统可以兼容不同硬件及协议,从而实现统一的数据采集、处理、传输、挖掘等。

当前,国内物联网操作系统发展尚属早期,无论是操作系统本身,还是围绕操作系统的完整生态(包括硬件厂商、应用提供商等)建设都需要一定的时间。IT巨头企业、创业公司、运营商、传统的嵌入式系统公司等纷纷推出自己的物联网专用操作系统,但尚未出现像安卓或iOS这样处于绝对领先地位的物联网操作系统。

常见的物联网操作系统

常见的物联网操作系统,制表 | 果壳硬科技

应用层:标准正在路上

所有的技术标准、平台生态,最终都要落在具体应用中才能发挥价值。物联网能够应用在可穿戴设备、智能家居、智能制造、车联网、智慧城市等多个领域当中,其中部分领域已有对应的国家标准。

例如,工业和信息化部在2016年出台了电动汽车的国标——GB32960[8],该标准规定了电动汽车的车载系统、车企的企业平台与国家公共平台之间的通信规范,包括采集参数、上报频率、通信协议、数据格式等。车企出厂的每一辆电动汽车,都必须按照规范进行数据采集和上报。在这一标准下,国家、企业和第三方服务机构就可以对车辆进行统一的远程安全监管、车况监测、驾驶行为分析等,从而提升协同和规模效应,在未来实现车联网、自动驾驶、应急指挥、智慧物流等领域的应用。

同样在2016年,公安部更新了《公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》——GB/T28181[9]。该标准规定了城市监控报警联网系统的互联结构,传输、交换、控制的基本要求和安全性要求,以及控制、传输流程和协议接口等技术要求,适用于相关的方案设计、系统验收、设备研发和生产等。由此,摄像头制造商、视觉识别算法提供商、各级政府平台之间得以统一标准,使得视频监控应用能够快速铺开并产生价值。

当然,企业在执行标准的过程中,仍然会在特定场景下拓展出个性化需求,国家也需要随着应用场景的成熟不断修订标准,从而推动物联网在具体行业中的标准化应用落地。

整合存在哪些挑战?

即使在物联网产业链的每一层,产业界都付出了整合的巨大努力,但这一过程仍然面临许多挑战。

首先是整合所需的综合成本较高。

从平台的视角来看,对于海量终端设备的兼容,以及对各个领域复杂多样的传输协议的支持,都需要长期的实践经验及技术积累。从终端用户(个人、企业或政府)的视角来看,将已有设备批量替换为标准化互联设备的经济成本也较高。

在成本与效益的考量下,物联网互联生态的建设必将成为一个长期过程。

在消费物联网领域,早期崛起的巨头企业各自为阵,自建生态。随着开放生态成为市场趋势,巨头企业之间开始走向合作。但在完全开放与建设自身竞争壁垒之间,企业仍有许多商业因素需要纳入考量。一个典型的现象是,目前,部分米家的产品可以接入苹果HomeKit,但米家平台还不支持接入美的智能家居产品。

而在市场广阔的产业物联网领域,由于产业链较长、场景分散、需求复杂,尚未形成“赢者通吃”或“群雄割据”的局面,长尾效应明显。根据信通院在2020年底的判断,大部分物联网平台还处于亏损阶段,仍在探索盈利模式,物联网平台将经历长期洗牌[2]。在这一阶段,物联网企业找到落地场景、跑通模式、实现盈利的优先级更高。因此,只能先根据具体应用场景实现“局部互联”。

在物联网从“碎片化”走向“整合”的过程中,安全问题也日益凸显。例如:规模化与同质化的终端硬件增加了物联网络被攻破的风险,任何一个终端或节点都可能成为攻击入口;设备之间跨网络、跨环境的广泛通信与弱认证机制提升了信息泄露和关联攻击的风险;开源软件的广泛使用带来新的安全漏洞……物联网在实现整合的同时,也需要同步建立起安全防护的全套机制。

如何应对?

综上,为了进一步推进物联网整合,仍需要产业界的各方共同努力,打破壁垒,推动每一层级的标准化与规模化。

在感知层,物联网巨头企业应联合各应用行业联盟或头部客户共同建立终端标准,实现硬件设备、传输协议、数据格式等的规范化、统一化。OLA的成立迈出了整合的重要一步,但后续是否能有足够多的产品及应用支持该联盟的标准,还有待进一步观察。

在传输层,应由国家层面进一步推动通信协议的技术标准研究及应用广泛落地。如当前正在进行的NB-IoT基站建设、模组补贴等等。技术标准需只有应用在具体场景中,有效提升设备连接数,才能发挥出真正的价值。

在平台层,物联网企业应当抓住开局关键期,进一步完善操作系统或平台的能力建设。一方面积累更多的硬件开发、设备接入、协议兼容、主流系统对接等实践经验;另一方面加强生态建设,汇集更多的软硬件开发者、终端用户、合作伙伴等。从而为用户提供丰富的服务体验,逐步提升市场占有率,抢占“标准化”的话语权。例如,华为云IoT平台预置了300+行业物模型,与20+主流芯片及模组预集成,在开放生态中汇集了100多种硬件和3500多款应用,并参与制定了20+行业标准[10]。截至2019年底,华为云IoT物联网平台连接数超过2.8亿,已成为初具规模效应的头部物联网平台[2]。

而在应用层,除了从更高层面推进物模型互认之外,更重要的也许是探索物联网落地的标准模式,由标准化应用场景反向驱动传输协议及终端设备的标准化。同时,更快地推动与产业链上下游或合作伙伴的协同发展。2017年,国务院发文表示,要加快发展工业互联网,一方面加速智能制造行业发展,另一方面“实现产业上下游、跨领域的广泛互联互通,打破‘信息孤岛’,促进集成共享”[11]。在此基础上,工信部于2018年开始每年遴选10余家“跨行业、跨领域”的“双跨平台”,旨在树立行业标杆,推动应用广泛落地。工信部数据显示,截至2021年3月底,工业互联网平台连接工业设备总数达7300万台,工业App突破59万个[12]。物联网正逐步在工业领域实现规模化应用,反过来也能促进底层能力的迭代及整合。

同时,在推进物联网全面整合的过程中,需要在国家、产业、企业等各个层面建设物联网安全标准。物联网企业需要提出切实可行的安全解决方案,如安全芯片、终端安全开发套件、可信执行环境、安全管理系统等等,终端企业用户也需要进一步提升安全建设意识。

由此,物联网领域或能真正迎来自己的“爆发期”,而不是被永远困于“元年”之中。


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