1. 请简述物联网系统的分层架构，简要说明各层级的功能，并结合课程内容谈谈各层有哪些物联网的技术运用，在DIY智慧小屋案例中各层都有哪些软硬件构成。

一、物联网系统的分层架构

感知及控制层、网络层、平台服务层、应用服务层。

二、各层级功能及技术应用

1. 感知及控制层：通过从传感器、计量器等器件获取环境、资产或者经营状态信息，在进行适当的处理之后，通过传感器传输网关将数据传递出去；同时通过传感器接收网关控制指令信息，在本地传递给控制器达到控制资产、设备及经营的目的。应用有RFID、无线传感器网络、视频监控等。

2. 网络层：通过公网或者专网以无线或者有线的通信方式将信息、数据与指令在感知与控制层、平台服务层、应用服务层之间传递，主要由运营商提供的各种广域IP通信网络组成，包括ATM、xDSL、光纤等有线网络，以及GPRS、3G、4G、NB-IoT等移动通信网络。涉及技术包括2/3/4G、LoRa、NB-IoT、IPv6等。

3. 平台服务层：物联网平台是物联网网络架构和产业链条中重要环节，通过它不仅实现对终端设备和资产的“管、控、营”一体化，向下连接感知层，向上面向应用服务提供商提供应用开发能力和统一接口，并为各行各业提供通用的服务能力，如数据路由、数据处理与挖掘、仿真与优化、业务流程和应用整合、通信管理、应用开发、设备维护服务等。

4. 应用服务层：丰富的应用是物联网的最终目标，未来基于政府、企业、消费者三类群体将衍生出多样化的物联网应用，创造巨大的社会价值。根据企业业务需要，在平台服务层至上建立相关的物联网应用，例如，城市交通情况的分析与预测，城市资产状态监控与分析，环境状态监控、分析与预警（如风力、雨量、滑坡），健康状况检测与医疗方案建议等。

三、DIY智慧小屋各层硬件构成

物联网的分层架构与智慧小屋里相对应的关系为：

感知及控制层主要是负责通过传感器设备来识别和收集信息，通过 Arduino 采集不同接口形式的传感数据的实例来学习感知层的构架，包含的传感器件有以下的部件：室内温湿度传感器、室外温湿度传感器、PM2.5 传感器、可燃气体传感器、土壤湿度传感器、光敏传感器，包含的执行模块有：空调、换气扇、水泵、可调光以及调色的 LED 灯。

网络层负责安全的把感知及控制层信息进行传输，通过 AT 指令，将数据通过 WiFi 模块传送到物联网平台端。 

平台层负责数据的鉴权、接入和转发，以阿里云为例，讲述了接入云平台需要的鉴权方式、MQTT 协议。

应用层负责结合具体的应用需求，利用 IoT Studio 可视化工具，建立服务编排，创立直观的Web 显示、调度和控制的页面，编制出手机控制的 APP，并在云平台上对数据进行计算、处理、挖掘，来实现智能化的物联网应用。

2. 简述MQTT的工作原理，在智慧小屋案例中如何使用MQTT实现应用和设备的交互过程？

一、MQTT概述

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

二、MQTT协议特点和工作原理

MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、无损、双向连接。其特点包括：

使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦。

对负载内容屏蔽的消息传输机制。

对传输消息有三种服务质量（QoS）：

a. 最多一次，这一级别会发生消息丢失或重复，消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即：<=1

b. 至多一次，这一级别会确保消息到达，但消息可能会重复。即：>=1

c. 只有一次，确保消息只有一次到达。即：＝1。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量通知机制，异常中断时通知传输双方

使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

三、系统组成

实现MQTT协议需要：客户端和服务器端。

MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分。

四、智慧小屋与MQTT

阿里云平台提供数据解析功能，根据提交的脚本，将设备原始数据在云端转换成结构化的JSON格式，方便云上业务系统存储和展示。

小屋通过自定义Topic发布数据，且Topic携带解析标记时，阿里云平台接收数据后，先调用在控制台提交的业务数据解析脚本，将设备上报的原始数据解析为JSON结构体，再进行数据流转处理。

对于小屋：

设备Topic标记需要脚本解析

调用脚本将原始报文解析为JSON格式

输出处理后的Topc和Payload

规则引擎处理后数据

3. 简述LoRa和NB-IoT的技术特点，他们有哪些共同点和差异点，在生活中LoRa和NB-IoT各有哪些适合的应用场景？

一、概述

　NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。

LoRa的主要技术特点是能够进行1-20km的长距离传输;节点数可达万级甚至百万级，一个网关可以连接多个节点或终端设备;数据速率范围0.3~50kbps，可以使电池寿命达到3-10年。

二、NB-IoT特点

　　频谱窄。200kHz;终端发射窄带信号提升了信号的功率谱密度，提升了信号的覆盖增益，并且提升了频谱利用效率。

　　广覆盖。具备支撑海量连接的能力。相比其他的短距离物联网协议，NB-IOT能够连接更多的设备，提高设备数量在单位面积的密度。

　　更低功耗。NB-IoT牺牲了速率，换回了更低的功耗。采用简化的协议，更适合的设计，大幅提升了终端的待机时间，部分NB终端，待机时间号称可以达到10年。

　　更低的模块成本。通信模块成本很低，每个模组有希望压到5美元之内甚至更低，有利于大批量采购和使用。而根据摩尔定律便可以得出，不超过40个月，成本便能降低到1美元之下。

三、LoRa特点

目前在国内，由于备受国家政策、电信运营商和业内大厂的青睐，NB－IoT技术的发展可谓如火如荼。相比而言，此前因频段授权问题沉寂许久的LoRa技术低调很多。

LoRa的一大特点是在同样功耗下比其它无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，LoRa网络主要由基站（也可以是网关）、服务器、LoRa终端和物联网云四部分组成，其特点是应用端和服务器端数据双向传递。

LoRa的优势是超低功耗和多信道数据传输，增加了系统数据容量，网关和终端系统能够支持测距和定位，非常适用于位置敏感的应用。

LoRa拥有着阿里、腾讯、谷歌等的支持，可直接获得围绕在这些头部互联网玩家周围的生态支持。

四、NB－IoT和LoRa对比

1.  频段、成本、服务质量

NB－IOT和蜂窝通信使用的是运营商提供的授权频段，因为是专门划分的频段，因此干扰相对要少很多，虽然实际应用中会收取一定的通信费用，但是相应的也会提供更好的信号服务质量，安全性和认证。而且针对目前蜂窝网络基站的建成更有利于快速大规模应用。

LoRa工作在Sub－1G的非授权频段，无需申请便可以建立网络设备，相对来说网络架构简单，而且实际应用中不需要额外付通信费用，但是因为是开放频段，所以实际应用非常广泛，容易受到其他相同频段设备的干扰。

2. 通信距离

NB－IOT信号覆盖范围取决于其基站密度和链路预算，借助前期的资源优势，能够实现比LoRa更广的范围覆盖和更好的QoS，且NB－IoT自身具有高达164dB的链路预算，使其传输距离可达15km～20km。

LoRa使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK（频移键控）一样的低功耗特性，也显著增加了通信传输距离，从而提高网络效率和抗干扰能力，即不同扩频序列的终端在使用相同的频率同时发送时不会相互干扰，在此基础上研发的网关能实现多路并行的数据接受，大大扩展了网络容量。LoRa节点的传输距离可达 12～15 km覆盖范围（空旷郊区环境，市区环境传输距离会下降）。

3. 低功耗、电池寿命

低功耗是物联网的核心指标之一，关于电池寿命方面需要考虑协议内容和节点电流消耗两个重要因素。

NB－IOT同步协议的节点必须定期地联网，所需要的“峰值电流”比采用非线性调制的LoRa多出了几个数量级，尤其是在唤醒后请求基站到接入服务器的过程中，会存在大量电池电量的消耗。

LoRa是基于ALOHA协议的异步通信方式，因此可以根据具体应用需求进行精准的休眠时间设定，达到充分利用电池电量的目的。

4. 设备成本

对终端节点来说，LoRa相比NB－IOT更加简单，更容易开发，NB－IOT的协议和调制机制比较复杂，需要更复杂的电路设计和更多的花费，同时NB－IOT采用授权频段，通信需要收取一定的费用。

通过以上的分析，LoRa和NB－IoT最大的区别是：NB－IoT是工作在蜂窝授权频段上，网络由运营商进行部署和维护，为保证能与基站进行正常的通信以及工作，有必要在产品实际部署之前对其功能进行有效的验证。

而LoRa是非蜂窝网络，其标准细节的非公开性，使得产生用于验证的标准信号是个难点。LoRa可以利用传统的信号塔、工业基站甚至是便携式家庭网关来进行。构建基站和家庭网关价格便宜。在成本上来看，LoRa无线模块和NB－IoT无线模块成本相差不大，但在隐形成本上NB－IoT明显是要高于LoRa无线模块。

五、LoRa与NB-IOT应用场景适应性对比

1. 智能三表

在智能三表领域相关的公司和部门需要低速率的数据传输、频繁的通信和低延迟。由于三表是目前逐渐由电池供电的，所以对超低功耗和长电池使用寿命需求比较重视。并且还需要对线网进行实时监控以便发现隐患时及时处理。LoRaWAN的ClassC可以实现低延迟，且对于低传输速率和频繁通信的需求，专网十分必要。

2. 智慧农业

对农业来说，低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温湿度、二氧化碳、盐碱度等传感器的应用对于农业提高产量、减少水资源的消耗等有重要的意义，这些传感器需要定期地上传数据。LoRa十分适用于这样的场景。而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网络，更不用说4G/LTE了，所以NB-IoT并不如LoRa一样适合于智慧农业。

3. 自动化制造

工厂机器的运行需要实时的监控，不仅可以保证生产效率而且通过远程监控可以提高人工效率。在工厂的自动化制造和生产中，有许多不同类型的传感器和设备。一些场景需要频繁的通信并且确保良好的服务质量，这时NB-IoT是较为合适的选择。而一些场景需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池来追踪设备、监控状态，这时LoRa便是合理的选择。所以对于自动化生产制造的多样性来说，NB-IoT 和LoRa都有用武之地

4. 智能建筑

对于建筑的改造，加入温湿度、安全、有害气体、水流监测等传感器并且定时的将监测的信息上传，方便了管理者的监管同时更方便了用户。通常来说这些传感器的通信不需要特别频繁或者保证特别好的服务质量，同时便携式的家庭式网关便可以满足需要。所以该场景LoRa是比较合适的选择。

5. 物流追踪

追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型部署的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在需要场所部网，可以是仓库或者运输车辆上，这时便携式的基站便派上了用场。LoRa可以提供这样的部署方案，而对于NB-IoT来说追踪范围过大基站的铺设是很大的问题。同时LoRa有一个特点，在高速移动时通信相对于NB-IoT更稳定。出于以上的考虑，LoRa更适合于物流追踪。