大多数物联网（“物联网”）炒作都是关于未来的愿景，即拥有数十亿台设备生成海量数据流，这些数据流将被输入高级机器学习和人工智能（“人工智能”）系统，以创造巨大的商业价值. 然而，在这些宏大的讨论中常常被掩盖的是使这一切成为可能的物联网硬件。
什么是物联网？
物联网是一个由传感器设备、服务器和通过 IP（“互联网协议”）网络连接的人组成的系统。 传感器设备捕获和处理传感器数据，将传感器数据传输到服务器，在服务器上存储数据并与来自不同来源的其他数据（通常是历史数据）一起处理，以提供操作可见性并生成可供人们采取行动的新颖见解或通过自动化系统。
物联网是一种范式转变，不再是垂直集成、独立的监控和警报系统，这些系统会孤立数据，并且只能提供预编程的报告和警报。 虽然这些遗留系统仅限于 1:1（一对一）或 1:N（一对多）通信路径，但物联网系统支持 M:N（多对多）通信路径，允许开发人员重新配置现有系统以创建以前未曾设想过的新物联网应用程序。
传感器设备由四个关键要素组成：传感器、处理器、网络接口和电源。
传感器
没有传感器，就没有物联网数据。
在基本层面上，所有物联网传感器都会生成与物理属性成比例的模拟电信号。 然后，使用 ADC（“模数转换器”）将这些模拟信号转换为数字数据。
传感器可以测量简单的电气特性，例如电压、电流、电阻、电容、电感和阻抗。 它们还可以测量从无线电波到光再到伽马射线的整个电磁波谱中电场和磁场的强度和方向，尤其是变化的电场。
对于测量非电气特性的传感器，换能器将物理特性转换为模拟电信号。
常见的物理性质有：
• 空间参数，例如加速度、速度/速度、振动和位移/位置/偏转。
• 环境属性，例如温度和湿度。
• 液体或气体的流体动力学，例如声音、压力和流速。
传感器可以是被动的或主动的。 有源传感器将无线电波、光波或声波发射到环境中，并使用将它们处理成测量值的接收器检测反射。 尽管无源传感器不会向环境发射波，但这并不意味着无源传感器没有动力。 事实上，许多无源传感器会产生电场或磁场，并检测这些场的变化作为一种传感机制。
GPS、雷达、化学探测器、陀螺仪或数码相机等高级数字传感器使用多个模拟传感元件进行测量。 然后，复杂的算法将这些原始测量值转化为有用的传感器数据。
加工厂
捕获传感器数据后，必须先对其进行处理，然后再将结果传输到云端。 处理级别根据传感器的复杂性和生成合成传感器数据所需的数据处理量而有很大差异。 一个简单的例子是温度读数可以是单个数据值或一组值随时间变化的平均值。 一个更复杂的例子是安全摄像头，它可能不会录制数字视频，除非场景检测算法标记了一个事件。
根据所需的复杂性和处理能力，IoT 硬件可分为四类处理平台：PC、移动系统、基于微处理器 (MPU) 的嵌入式系统和基于微控制器 (MCU) 的嵌入式系统。
| 个人电脑 | 联络号码 | 嵌入式 MPU | 嵌入式单片机 | |
| 处理器 | x86 (32/64) 位 | 变化（32/64 位） | 变化（32/64 位） | 变化（8/32 位） |
| 时钟速度/内核 | GHz / 多核 | GHz / 多核 | 可变 | 兆赫/单核 |
| 内存 | 内存 (GB) | 内存 (GB) | 动态随机存取存储器 (MB/GB) | 静态随机存取存储器 (kB/MB) |
| 存储 | 硬盘/固态硬盘 (TB) | SSD / SD 卡 (GB) | 硬盘/固态硬盘 (GB)、闪存 (MB)、SD 卡 (GB) | NOR/NAND 闪存 (kB/MB) |
| 外围总线 | USB、PCIe | USB-OTG | USB、TWI、I2C、SPI、USART、专有 | TWI、I2C、SPI、USART |
| 平均系统成本 | 100 至 3,000 美元 | $ 100美元1,000 | 可变 | $ 5-$ 50 |
| 网络相关 | 以太网、WiFi™、蓝牙™ | WiFi™、蓝牙™、NFC | 可变 | 专有 RF 或 BLE™ |
| 图像 | 集成显卡或显卡 | 集成显卡 | 可变 | 简单的文本或字符显示 |
| 散热器 | 活跃（粉丝） | 被动 | 主动或被动 | 通常不需要 |
| 功率 | 线路供电（桌面）
可充电锂离子电池（笔记本电脑） |
可充电锂离子电池 | 线路供电 | 电池供电 |
基于 PC 的系统
PC 是最终可配置的平台，它使系统集成商能够使用廉价、广泛使用的现成主板、处理器、内存、电源和机箱轻松创建定制系统。 太字节硬盘驱动器或 SSD（“固态驱动器”）可以提供大数据存储容量。 外围设备可以通过基于现代标准的 USB（“通用串行总线”）或 PCIe（“外围组件互连高速”）总线连接，并且仍然可以选择支持传统 PC 外围总线，例如 RS-232/RS-422/ RS-485。
此外，甚至还有包含 DSP、FPGA、GPU 或高速 I/O 的扩展处理器卡，以满足专业应用的需求。
虽然 PC 具有出色的性价比，但它们基于消费级技术，往往生命周期较短，可能不适合办公室或家庭环境以外的应用。
PC 的替代品是基于 PC 技术的 SBC（“单板计算机”），但专为嵌入式应用而设计，具有坚固的工业组件，可在恶劣的操作环境中提供可靠的性能。
由于 SBC 具有更高等级的组件并且 SBC 的产量相对较低，因此它们比同等性能的基于 PC 的硬件更昂贵。 但是，它们的生命周期通常长达十年
基于 PC 的系统通常运行 Windows 或 Linux 操作系统。
移动系统
移动系统是嵌入式系统的一个专门子集，针对需要频繁充电的电池供电设备平板电脑和智能手机进行了优化。 虽然这些固有的个人设备提供高性能处理能力，但它们还具有高级系统电源管理功能，使它们能够节约能源，从而延长电池寿命。
移动系统通常有许多集成传感器，包括 1 个或 2 个数码相机、一个 3D 加速度计、一个陀螺仪、一个触摸传感器、一个气压计、一个接近传感器、一个磁力计（罗盘）、一个环境光传感器和一个 GPS 接收器。
不幸的是，移动系统的扩展能力非常有限。
虽然基于 Android 的系统可能允许通过 USB OTG（“On-The-Go”）设备进行扩展，但基于 Apple 的系统仅允许经过批准的 3rd 通过 MFI（“为 iPod 制造”）许可计划的派对设备。
移动系统具有相对昂贵的性价比。 它们是基于消费级技术且生命周期短的个人设备。 它们仅限于在室内或温和的室外环境中运行，而且它们也相对脆弱并且容易掉落损坏，除非封装在 3rd 派对加固案例。
尽管还有一些其他选择，但谷歌的 Android 和苹果的 iOS 是移动系统最主要的软件环境。
基于微处理器 (MPU) 的嵌入式系统
基于 MPU 的嵌入式系统提供尽可能广泛的性能和功能选项，这些选项经过优化以满足消费电子、工业控制、医疗设备、汽车控制、通信系统或其他垂直市场应用的特定产品要求。
它们通常基于特定应用的 IC（“集成电路”），例如 SoC（“片上系统”）或 SIP（“系统级封装”），它们具有集成的芯片级内核，可简化设计工作并为特定的产品细分市场提供成本优化的解决方案。
MPU 通常运行通用的多任务操作系统或 RTOS（“实时操作系统”），为基于控制的应用程序提供确定性响应。
虽然大多数嵌入式系统都是完全定制设计的，但一些 SoC 可在 SOM（“系统级模块”）外形规格中使用，并带有标准化的配合连接器。 SOM 使开发人员能够避免从头开始设计定制嵌入式系统的艰巨且耗时的工作。 相反，设计人员可以专注于设计载体 PCB 和开发软件来定制他们的产品。
基于 MPU 的嵌入式系统可以运行 Linux 或各种其他商业 RTOS（“实时操作系统”）。
基于微控制器 (MCU) 的嵌入式系统
基于 MCU 的嵌入式系统为处理要求有限的应用提供了非常低成本的解决方案。
然而，一些高级微控制器嵌入了专门的硬件模块来加速图像处理或安全功能，例如用于公钥/私钥交换、散列和 TRNG（“真随机数生成”）的加密加速。
基于 MCU 的系统可以非常节能，因为它们对处理器、外围设备和时钟具有细粒度的电源控制。 借助功率优化的内部或外部唤醒源，可以创建无需电池充电即可使用多年的超低功率产品。
系统软件可能是一个简单的运行循环加上中断处理程序，或者它可能运行一个占用空间小的 RTOS。
网络接口
虽然一些物联网硬件通过以太网等物理网络连接，但更常见的是通过 Wi-Fi™ 或蜂窝网络等无线网络连接到互联网。
功率与范围与数据速率
无线通信系统的经典设计权衡是低功耗、长距离或高数据速率。 （选择两个！）
| 网络类型 | 范围 | 功率 | 数据传输速率 | 行货 | 频率 |
| Wi-Fi™ (802.11a/b/g/n/ac/ax) | M中号 | 高 | 高 | 没有 | 2.4 / 5 GHz |
| 白色-Fi / 超级 Wi-Fi (802.11af) | 长 | M中号 | M中号 | 没有 | 54-MHz的698 |
| 哈洛 (802.11ah) | 长 | M中号 | M中号 | 没有 | 915 MHz |
| 蓝牙™ | 短 | M中号 | M中号 | 没有 | 2.4 GHz |
| 低功耗蓝牙™ (BLE) | 短 | 低 | 中低 | 没有 | 2.4 GHz |
| 802.15.4 / ZigBee™ | M中号 | 低 | 低 | 没有 | 2.4 GHz |
| 专有射频 | 可变 | 可变 | 可变 | 没有 | 868 / 915兆赫 |
| LPWAN – SigFox™ | 长 | 非常低 | 非常低 | 没有 | 868 / 915兆赫 |
| LPWAN – LoRA™/交响乐 | 很长 | 非常低 | 低 | 没有 | 433/868/915 兆赫 |
| LPWAN——Ingenu | 中到长 | 低 | 低 | 没有 | 2.4 GHz |
| LPWAN——失重 | 长 | 中低 | 中低 | 没有 | 470-MHz的790 |
| 蜂窝网络 – 2G、3G、4G、5G | 长 | 高 | 高 | 是的 | 3GPP 区域频段 |
| 蜂窝 - CAT-1M | 长 | 低 | 低 | 是的 | 3GPP 区域频段 |
| 蜂窝 - 窄带物联网 | 长 | 非常低 | 非常低 | 是的 | 3GPP 区域频段 |
许可与非许可频段
政府当局管理对电磁频谱的访问。 他们可以向个人或实体授予许可，以在特定地理区域内以最大功率水平在指定频带内操作无线发射器。
持有专有频率许可证的无线网络服务提供商（例如蜂窝服务提供商）通常会向其他用户提供对其网络的访问，但需付费。 在这种情况下，服务提供商负责无线网络的运营和维护。
如果用户使用经批准的无线通信系统，该系统符合无证操作所需的规定，则无需许可的用户也可以访问某些频段。 这些无线通信系统必须具有智能共存机制，例如载波侦听或频率捷变，以补偿来自在相同免许可频段内同时运行的其他系统的带内干扰。
未经许可的网络，例如 Wi-Fi™ 网络，通常由用户自费运营和维护。
电源
物联网硬件最简单的电源解决方案是使用来自电网的线路电源。
然而，许多新兴的物联网应用无法使用线路电源，因为在部署区域不容易获得线路电源，而且运行额外的电源线将非常困难或昂贵。
能量收集
对于具有低功耗要求的物联网硬件，新型能量收集技术（例如基于压电的振动、热电堆和流体动力或风力涡轮机）可能是可行的，但太阳能电池板仍然是最受欢迎的选择。 尽管在技术上可以直接从这些能源为物联网硬件供电，但更好的选择是储存能源以备后用。
储能系统
虽然深奥的储能系统不断发展，例如超级电容器组或燃料电池，但老式但可靠的电池技术仍然是离网物联网硬件最受欢迎的储能选择。
电池具有多种化学成分和构造类型，可为封装尺寸、能量容量、电压范围和电流传输能力提供广泛的选择。 有些甚至提供专门的功能，可最大限度地减少自放电、支持高脉冲电流、在极端温度下运行或提供长达十年或更长时间的延长生命周期。
总结
如您所见，有大量传感器、处理、网络和电源技术可用于创建物联网硬件，以满足医疗保健、交通、工业、汽车、智能城市和其他小众物联网应用的技术性能要求市场部门。
关键是结合满足基本技术性能要求的适当技术，同时满足必要的业务约束，以创建可行的物联网解决方案。
