物联网技术栈的 5 层

在这篇文章中，我描述了物联网技术堆栈的 5 层，以及产品经理如何将它们整合到他们的产品战略和路线图中。

您可能听说过很多关于物联网 (IoT) 将如何彻底改变我们生活的许多领域的信息。即使拥有所有这些潜力，许多产品经理仍在努力理解物联网的基本概念以及他们如何使用它为客户和公司提供额外价值。

注意： 如果您不熟悉物联网，我推荐我的文章什么是物联网。

开始使用 IoT 时，很容易被其复杂性、行话和炒作吓到。但是没有什么可担心的。第一步是停止将物联网视为一个黑匣子，而是开始将其视为一个由几个不同技术块组成的系统。

我将这些块称为物联网技术堆栈的 5 层。一旦您熟悉了 IoT 技术堆栈，您就会发现 IoT 并没有什么神奇之处。它只是将传感器、计算机和网络组合在一起。顺便说一下，所有的物联网产品，无论是消费产品还是工业产品，都有这5层。

在这篇文章的后面，我还将描述如何使用这个概念模型与您的团队、客户和供应商进行交互。但首先，让我们谈谈物联网技术栈。

让我们开始吧！

介绍物联网技术栈的 5 层

成为物联网产品经理的第一步是了解物联网技术堆栈的五个层次。通过将完整的 IoT 解决方案分解为这五个层，产品经理可以更好地理解和分析每个级别以及整个系统所需的业务和技术权衡。这五层是：

将这个 IoT 技术堆栈放在上下文中，让我们假设您正在开发一种监控风力涡轮机健康状况的产品。该产品可预测涡轮机何时需要维护，从而节省数百万美元的涡轮机潜在损坏并避免服务中断。

这种技术通常被称为“预测性维护”。

现在让我们用风力涡轮机的例子来详细描述物联网技术栈的每一层。

第 1 层 - 设备硬件

设备构成了物联网中的“事物”。设备充当物理世界和数字世界之间的接口。它们是物联网技术堆栈的第一层。

首先要考虑的是您的产品是连接设备本身（即 Nest 恒温器）还是您的产品正在转变为现有 通过添加仪表（即，将传感器和通信添加到风力涡轮机），将设备转换为连接的设备。在我们的示例中，您销售的不是风力涡轮机，而是连接到风力涡轮机的设备。换言之，我们的风力涡轮机示例是“棕地”解决方案。

您设备的主要目标之一是收集数据。所以接下来，您需要考虑要收集哪些数据，以及需要哪些设备硬件来完成。

对于简单的数据收集需求，您可能只需要一个传感器。对于更复杂的数据收集，您可能需要一台装有许多传感器的工业计算机、一个强大的处理器、本地存储、网关等。

在物联网技术堆栈的这一层中，了解硬件参数（例如成本、尺寸、易于部署、可靠性、使用寿命等）至关重要。

例如，对于像智能手表这样的小型设备，您可能只有片上系统 (SoC) 的物理空间。对于要求更高的解决方案，您可能需要嵌入式计算机，如 Raspberry Pi、Arduino 或 BeagleBone 板。对于关键的计算需求，您可能需要高级工业计算机，如紧凑型 RIO 或 PXI。所有这些解决方案在成本、尺寸、电池寿命等方面都有不同的要求。

对于我们的风力涡轮机监控产品，我们需要一个加速度计作为传感器来收集振动数据。如果振动超出特定范围，则意味着风力涡轮机需要维修。由于这是一个重工业应用，我们可能需要使用像紧凑型 RIO 这样的工业计算机，因为它具有足够的计算能力并且已经集成了加速度计。

您的设备还需要硬件将数据传送到云。更多信息请参见通信部分。

推荐文章： 物联网设备如何工作？

第 2 层 - 设备软件

设备软件是将设备硬件变成“智能设备”的组件。设备软件是物联网技术栈的第二层。

设备软件支持“软件定义硬件”的概念，这意味着特定硬件设备可以根据其运行的嵌入式软件为多个应用程序提供服务。

设备软件允许您实现与云端或其他本地设备的通信。您可以执行实时分析、从您设备的传感器获取数据，甚至进行控制。

IoT 技术堆栈的这一层至关重要，因为它是现实世界（硬件）和您的云应用程序之间的粘合剂。由您和您的团队决定在此处放置多少功能与在云端放置多少功能。

您还可以使用设备软件来降低硬件开发的风险。构建硬件很昂贵，而且比软件花费的时间长得多。因此，与其为狭隘和特定的目的构建您的设备，不如使用可由您的设备软件自定义的通用硬件，以便为您提供更大的灵活性。

这种技术通常被称为“软件定义的硬件”。这样，您就可以通过云远程更新您的嵌入式软件，这将在现场更新您的“硬件”功能。

我把设备软件层分为两类：

设备操作系统

您的物联网解决方案的复杂性将决定您需要的设备操作系统 (OS) 的类型。一些关键考虑因素包括您的应用程序是否需要实时处理、您需要的 I/O 支持类型以及您是否需要支持完整的 TCP/IP 堆栈。嵌入式操作系统的常见示例包括 Linux、Brillo（缩小版 Android）、Windows Embedded 和 VxWorks 等。

设备应用

设备应用程序在 Edge OS 之上运行，并为您的 IoT 解决方案提供特定功能。这里的可能性是无限的。您可以专注于数据采集和流式传输到云端、分析、本地控制等。

对于我们的风力涡轮机监视器示例，我们的加速度计将频繁采样以测量振动。这会产生大量的数据。但是我们不需要将所有数据都发送到云端——只需发送表明存在问题的数据即可。因此，我们的设备应用软件将在本地监控数据，并且只会发送警告和错误情况。如果振动超出您指定的参数，它还将执行实时控制以关闭涡轮机。

产品经理提示： 如果设备硬件和软件协同工作以创建智能设备，为什么在物联网技术堆栈中单独表示它们？将它们分开考虑是有帮助的，因为它们是由不同的团队使用非常不同的需求、流程和时间表构建的。设备软件将由软件工程师使用敏捷方法开发。另一方面，设备将由硬件工程组按照硬件 NPI 流程进行开发。当您规划路线图并与各种团队合作时，这种分离将使您的工作更加轻松。

第 3 层 - 通信

通信是指您的设备与世界其他地方交换信息的所有不同方式。通信是物联网技术堆栈的第三层。根据您所在的行业，有些人将物联网技术堆栈的这一层称为“连接性”。在这篇文章中，我使用了更通用的术语“通信”，但我指的是同一件事。

通信包括物理网络和您将使用的协议。诚然，通信层的实现存在于设备硬件和设备软件中。但从概念模型（而不是实现模型）来看，我更愿意将通信作为自己的层，以便与团队其他成员进行讨论。

选择正确的通信机制是物联网产品战略的关键部分。它不仅将决定您如何从云端获取数据（例如，使用 Wi-Fi、WAN、LAN、4G、5G、LoRA 等），还将决定您如何与第三方设备进行通信。同一栋楼。

例如，智能建筑中的系统通常使用 BACnet 协议相互通信。如果您的设备涉及楼宇自动化，那么您的设备最好提供 BACnet 支持，即使您不确定是否希望您的设备与楼宇中的其他设备通信。

您的通信策略会影响系统的整体拓扑。例如，如果您的 IoT 解决方案有十个传感器，每个传感器是否应该直接与云通信？或者，您是否应该拥有 10 个更简单（更便宜）的传感器来与中央网关通信以进行数据聚合和远程传输？

这些决定并非纯技术性的。这些是产品经理在考虑对解决方案的成本、部署和技术复杂性的影响时需要做出的业务决策。

对于我的风力涡轮机监视器示例，第一个倾向可能是将设备连接到局域网。但风电场可能在偏僻的地方，你所拥有的只是附近的手机信号塔。因此，您必须通过蜂窝通信连接到云。

此决定将对您选择的设备硬件和软件以及您的成本产生影响，因为您必须向移动服务提供商支付连接费用。这笔额外费用也支持我们决定预先分析设备中的传感器数据，并且只将可操作的见解发送到云，而不是发送由加速度计产生的整个数据集，请记住，您传输的数据越多，您的成本就越高.

第 4 层 – 云平台

云平台是物联网解决方案的支柱。如果您熟悉管理 SaaS 产品，那么您就会很清楚这一层 IoT 技术堆栈的作用。

云平台提供支持这些关键领域的基础架构：

数据采集与管理

您的智能设备会将信息传输到云端。在定义解决方案的要求时，您需要很好地了解每天、每月和每年收集的数据类型和数量。

物联网应用面临的挑战之一是它们可以生成大量数据。您需要确保定义可扩展性参数，以便架构师从一开始就确定正确的数据管理解决方案。

推荐文章： 大数据：每个产品经理都应该解决的 6 个关键领域

分析

分析是任何物联网解决方案的关键组件之一。通过分析，我指的是处理数据、发现模式、执行预测、集成机器学习等的能力。是从数据中发现洞察力的能力，而不仅仅是数据，使您的解决方案变得有价值。分析可以像数据聚合和显示一样简单，也可以像使用机器学习或人工智能一样复杂。这里没有对与错。您的客户的需求将告知您需要执行哪种类型的分析才能满足他们的需求。

云 API

物联网就是连接设备和共享数据，您可以通过在云级别或设备级别公开 API 来实现。 Cloud API 允许您的客户和合作伙伴与您的设备交互或交换数据。请记住，开放 API 不是技术决定；这是一个商业决策。

推荐文章： API 业务：产品经理需要规划什么

产品经理需要为他们的团队提供整体物联网解决方案的明确方向，以便技术团队可以确定正确的云架构。产品经理还需要通过构建与购买分析来评估云平台开发的成本和复杂性。

每个技术团队都倾向于从头开始构建完整的解决方案。但无论团队是否有能力做到这一点，产品经理必须确定构建您的云平台是否具有“商业意义”，不仅从开发角度来看，而且还要考虑总拥有成本、维护成本、支持、可靠性和上市时间。

在许多情况下，最好利用现有的 PaaS（平台即服务）。市场上有很多，所以为了更深入地了解物联网技术堆栈的云平台层，我推荐我的文章：

推荐文章： 什么是物联网平台（以及如何选择）

对于我们的风力涡轮机监控示例，让我们考虑一下我们必须存储多少数据。来自一台涡轮机的数据可能看起来并不多。但多年来，它会加起来。另外，请记住，您的云平台需要支持来自数千台风力涡轮机的数据。久而久之，这将是海量数据，因此我们的云基础架构需要能够灵活地存储和处理这些数据。

此外，您的云分析可能需要实时处理传入数据以检测趋势并能够预测涡轮机何时需要服务。您可能还需要打开一个 API 以将此信息呈现给您的应用程序层。

第 5 层 – 云应用

物联网技术堆栈的第五层是产品团队和高管最容易理解的。您的最终用户应用程序是您的客户将看到并与之交互的系统的一部分。这些应用很可能是基于网络的，并且根据您的用户需求，您可能需要针对台式机、移动设备甚至可穿戴设备的单独应用。

即使您的智能设备有自己的显示屏，您的客户也很可能使用云应用程序作为他们与您的解决方案交互的主要点。这让他们可以随时随地访问您的智能设备，这是连接设备目标的一部分。

产品经理必须了解您的用户和您的产品“要完成的工作”。在设计您的最终用户应用程序时，了解您的用户是谁以及他们使用您的产品的主要目标是非常重要的。请记住，对于工业物联网应用，您可能拥有多个用户。

应用程序也可以分为面向客户的应用程序和内部应用程序。面向客户的应用程序通常最受关注，但在物联网的情况下，内部应用程序同样重要。其中包括用于远程配置和排除设备故障、监控设备群的健康状况、报告性能和预测性维护等的应用。

这些内部应用程序需要对您的外部和内部客户有深入的了解，并且需要正确的优先级排序和资源配置，以确保他们不会陷入困境。它们是 IoT 解决方案的关键组成部分，因此产品经理有责任确保它们完成。

对于我们的风力涡轮机监视器，一个可能的应用程序是在中央控制室工作的风电场运营商使用的网络应用程序。此应用程序显示有关他们管理的数千台涡轮机的信息和趋势，并在特定涡轮机需要维修时向它们发出警报。运营商可以实时获取这些信息并派遣服务团队进行预防性维护，避免代价高昂的维修和服务中断。

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“边缘”怎么样？

您可能听说过“边缘”一词与物联网并驾齐驱。边缘是指“边缘计算”，即能够在更靠近传感器的位置执行分析或其他一些计算工作。

我经常遇到的问题是：为什么不将边缘作为 IoT 技术堆栈的一层？这是一个很好的问题！答案就是：简单。

在这篇博文中，我将展示物联网技术堆栈的概念模型，以帮助您与所有利益相关者和客户进行对话。

此通用模型并非旨在作为 IoT 解决方案的精确工程表示。这会增加复杂性，并违背拥有简单通信工具的目的。

另一个原因是“边缘”的定义会根据您的谈话对象而变化。例如，根据供应商的不同，边缘可以是：

• 设备本身
• 网关
• 在连接到云之前收集数据的本地服务器
• 蜂窝网络的边缘或“电信边缘”（如果您与电信提供商交谈）
• 电网的边缘（即智能电表），如果您与公用事业公司交谈

如您所见，定义和解释各不相同。我的建议是保持简单并使用物联网技术堆栈的这 5 层。

但是，如果为了清晰起见需要添加边缘，您可以修改我的图表以添加更能代表您的解决方案的必要层。目标是拥有一个概念模型，您可以使用它与所有利益相关者进行交流。

物联网技术栈是一种通信工具

你应该如何使用这个物联网技术栈的 5 层模型？ 将其用作沟通工具。

作为产品经理，我们需要与组织中的许多人以及客户和合作伙伴进行互动。我发现第一个挑战是让每个人都在同一页面上。这就是这个工具发挥作用的地方。

每次我与新的小组交谈时，我都会闪现物联网技术堆栈，以确保每个人在我说物联网或端到端物联网解决方案时都能理解我在说什么。它为每个人提供了参考框架和通用语言来引用各种构建块。它消除了物联网的“黑匣子”方法，并用每个人都能理解的术语来表达。

我在我的大部分演讲（内部和外部）中都包含这个物联网技术堆栈，并且我经常在每次会议开始时将 5 个层级上的每个人对齐，然后在我们将在本次会议上关注的特定层对齐。

它不仅可以帮助我与技术团队进行讨论，还可以帮助我与销售、营销、高管、设计、数据科学、合规、供应商等进行讨论。

现在您已经熟悉 IoT 技术堆栈，我强烈建议您阅读我关于 IoT 决策框架的文章。它将为您提供更高级别的工具，让您以结构化的方式进行物联网产品管理。

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底线

随着物联网的不断发展，世界将需要一支精通物联网的产品经理队伍。这些产品经理需要了解物联网技术堆栈的每一层，以及它们如何组合成一个完整的物联网解决方案。

产品经理需要在每一层做出战略性的业务和技术决策，以确保他们的产品取得成功。

快点好。如果您喜欢这篇文章，那么如果您与其他产品人员分享它，那将是一个巨大的帮助。

你从这里去哪里？阅读我的下一篇文章，我在其中分享了一个 IoT 决策框架。我的框架建立在 IoT 技术堆栈之上，为您提供一种结构化的方法来制定您的 IoT 产品战略和路线图。