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開發與維護物聯網
感測資料的傳輸與處理探討
日期:2018/3/15
什麼是物聯網?
物 + 網路 = 物聯網
最根本的需求是什麼?
2
資訊安全的三個要素
• 機密性(Confidentiality)
• 保護資訊不被非法存取或揭露
• 完整性(Integrity)
• 確保資訊在任何階段沒有不適當的修改或損毀
• 可使用性(Availability)
• 經授權的使用者能適時的存取所需資訊
3
應用層
網路層
感知層
物聯網系統架構
閘道器
閘道器
感測器
固網
無線網路
TCP/IP、
VPN 、
4G/5G
伺服器
資料的流動方向
4
探討感測器與閘道器對資料的影響
• 感測器
• 感測器的評估
• 感測器在環境中的部署方式
• 感測資料的傳送路徑
• 閘道器
• 能夠匯集很多不同感測器的資料到同一個地方轉傳到伺服器
• 可以過濾感測資料做錯誤控制和異常檢測
• 跟應用端去建立比較穩定的傳輸(透過通訊協定)
5
感測器的評估重點
評估事項 內容 影響
感測器特性 偵測特性(誤差值等)、在該環境內能否使用 資料的可使用性
電源 AC電池、插電、自律發電(太陽能等) 受到使用場地的限制、開發成本
電池壽命 感測器能正常運作多久的時間 維護、時間成本
通訊方式
有線:序列、Ethernet
無線:Wi-Fi、藍牙、ZigBee、MQTT等
感測資料傳輸的完整性、電力消耗
程度
感測器運作頻率 感測器能多久感測重新感測
感測資料變化的精確度、電力消耗
程度
感測器的尺寸 大小、形狀 感測器的擴增性
價格 感測器的購買價格 開發成本
感測器的支援度 售後服務 感測設備的一致性、開發成本
6
感測器的部署考慮重點
• 能輕易增加管理裝置或據點數量。
• 設置在人無法隨便碰觸的位置。
• 感測資料通訊路徑的規劃。
7
伺服器
閘道器管理系統
閘道器 閘道器
伺服器
感測器
合理性評估
8
感測器管理系統
閘道器的評估重點
• 由多種的介面提供了聯通性(如3G、藍芽、USB、serial、
ZigBee以及Wi-Fi)和協定(如虛擬私人網路VPN、MQTT)。
• 安全性能不僅保障裝置不受外在攻擊,還提供資料於裝置間傳輸
過程時的保障。
• 處理性能提供了設定、監控以及韌體更新。
9
伺服器
閘道器管理系統
閘道器 閘道器
感測器 10
物聯網系統處理資料的設計方式
• 因應連接多種裝置的需求
• 資料處理階層化 - 單一職責原則。
• 與裝置有關的處理要在裝置附近完成 - 避免迴歸測試。
• 因應資料處理負荷、資料量增加的問題
• 把接收資料放入佇列(Queue)中。
• 分散功能
• 提高系統組成元素的穩定性
11
資料處理階層化 - 單一職責原則
感測器A
感測器B
匯集和過濾
感測資料
閘道器
接收
伺服器
處理
伺服器
DB
伺服器
將接收到
的感測資
料做格式
轉換
統計資料
處理
分析資料
處理
儲存資料
處理
12
與裝置有關的處理要在裝置附近完成 –
避免迴歸測試
感測器A
感測器B
匯集
閘道器
接收
伺服器
處理
伺服器
DB
伺服器
過濾感測
資料
將接收到
的感測資
料做格式
轉換
統計資料
處理
分析資料
處理
儲存資料
處理
13
因應資料處理負荷、資料量增加的問題
閘道器
接收
伺服器
處理
伺服器
處理
伺服器
資料庫
伺服器
一般的接收處理流程
14
收到的資料量較多或資料
容量較大時,會拉長處理
時間。(接收量增加時,無
法有效處理)
資料處理負荷、資料量增加的問題
閘道器
接收
伺服器
處理
伺服器
處理
伺服器
資料庫
伺服器
只在接收時,回傳回應
給閘道器,減少連線時
間(可以接收大量資料)。
接收之後,儲存在佇
列中,讓處理伺服器
依序進行處理。
配合資料處理量,
擴增處理伺服器。
把接收資料放入佇列(Queue)中
15
分散功能
伺服器
閘道器
裝置
活用資料 資料的一次處理 回饋處理
統計處理
儲存加工資料
過濾
一次分析
控制裝置
儲存未處理資料
過濾
一次分析
過濾
一次分析
控制裝置
裝置自律動作
16
提高系統組成元素的穩定性
閘道器
閘道器
伺服器
儲存裝置 取得
資料
資料重複
A A B
資料缺損
閘道器
控制致動器
A
A
B
命令未送達
17
壓縮資料
每次接收到感
測器資料,就
傳送到伺服器
整理感測器資
料,統一傳送
到伺服器
整理感測器資
料,傳送壓縮
後的資料
傳送方法 傳送結構
總通訊資料量
(每天)
約78Mbyte
約5.7Mbyte
約15分之1
整合資料
約1.4Mbyte
約4分之1
整合資料
每台感測器的資料傳送間隔為1分鐘,共有50個感測器,感測資料大小為8Byte 18
總結
以上介紹的資料處理方法與概念,只是人們根據遇到的情境想到的
解決方案,未必適合每種狀況。最重要的是,配合系統的必要條件,
選擇或設計最適合自己遇到的物聯網使用情境。
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