物联网

现在是开始考虑物联网和区块链融合的时候了!大多数物联网解决方案的集中式架构意味着可能缺乏弹性,透过新兴的区块链(Blockchain)技术,将有助于提高系统弹性。

许多发展障碍正减缓着物联网(IoT)的采用。

首先,物联网装置和平台市场是零散的,其中存在许多标准和多家供货商。关于技术、供货商以及所提供的解决方案,一直存在着不确定性。

其次,对互操作性也存在疑虑,因为建置的解决方案往往容易造成新的数据孤岛。

云端中的数据通常是安全储存的,但是基于云端的安全建置手段,无法针对完整性打了折扣的装置保护你的数据,也无法防止来源端的数据篡改。

最后,大多数物联网解决方案的集中式架构(centralized architecture)有可能严重缺乏弹性。在云端处理所有交易时,云端资源的不可用性,可能会冻结你的商业营运。

什么是区块链?

区块链(Blockchain)是一种新兴技术,可以协助提高系统弹性。

区块链的基本概念非常简单:它是一种分布式数据库,称为分布式账本(distributed general ledger),它维护着一个不断新增的有序记录列表。

媒体通常将区块链这一术语和交易、智能合约或加密货币联系在一起,但是这项技术本身拥有更大的潜力。这就是为什么我们需要将区块链从诸如比特币(Bitcoin)和以太坊(Ethereum)这样的具体建置中分离出来。

例如,沃尔玛(Walmart)和福特(Ford)正在使用区块链技术来改善供应管理,并未涉及加密货币。事实上,区块链和物联网的融合已经排进了多家公司的议程。而且在物联网和金融服务之外的几个领域中已经存在具体建置、解决方案和创新行动了。

根据IBM的介绍,对物联网而言,区块链的三大好处是建立信任、降低成本和加速交易:

►使用区块链密码技术在当事各方和装置之间建立信任关系,并降低共谋和篡改的风险

►透过消除与中间人和中介机构相关的开销来降低成本

►透过将结算时间从几天缩短至几乎为一瞬间,从而加速交易

如何实现?

基于区块链的系统将如何实现这一切呢?IBM的观点,是区块链中的所有装置都应具有执行区块链软件的资源。随着物联网系统中的每个元素都能够处理区块链数据,突然之间区块链成为了所有问题的解决方案!对,但不完全是这样。

分布式账本的一个关键要素,在于它们是开放的,它们通常不被任何一个实体「拥有」。

任何连接到分布式账本的计算机都称为「节点」。大多数节点是轻量级的(或者至少相对于云端服务器的容量来说是轻量级的),因此它们不会保存完整的账本。账本中每个「区块」(block)的容量上限为1 MB。一台小型桌面计算机可以轻松地保存完整的账本,但是大多数物联网装置并非如此。任何区块链系统至少需要一些包含完整账本的「完整节点」(full nodes)。

另一个问题,是你需要正确的安全认证才能查看交易。因此,使用此技术时,物联网安全问题仍然存在。装置启动运作和安全密钥管理仍然是物联网装置持续存在的问题,并未由区块链所解决。

假设这些限制都解决了,那么区块链将为物联网增加一种引人注目的商业面向。一个区块包含交易,但也可以包含合约。因此,一台物联网装置可以从另一台装置或另一个系统购买数据或向其销售数据。而这可造就一个不太会出现弹性问题的交易系统。

区块链融合物联网的挑战

然而,尽管有这些益处,但区块链模式并非没有其缺点。具体包括:

►可扩展性。区块链尚未具备良好的扩展性。这可能会导致回归集中化,从而无法体现分布式账本的宗旨。

►处理能力。对于基于区块链的生态系统中所涉及的所有对象,小型装置不具备执行加密所需的能力。预计数十亿物联网装置将以非常低的成本进行量产,并且这些装置中的大多数将不能以期望的速度执行所需的加密算法。

►储存。尽管区块链消除了使用中央服务器来储存交易和装置ID的需求,但账本(ledger)也必须储存在节点上。久而久之,账本的规模将会增加,而这将超出了大量智能装置的能力,例如传感器,其储存容量非常低(无论是内部闪存,还是外部的NOR或NAND闪存)。

►缺乏专业知识。很少有人了解区块链技术的运作原理。融合区块链和物联网技术会为系统增添巨大的复杂性。

►互操作性问题。 众所周知,当你可以将数据源整合在一起时,物联网的价值会增加。我们本来就缺乏很多垂直市场的数据模型标准,将区块链融合只会使这个问题变得更加困难,更不用说这种交易管理将会造成的法律和合法性问题。

区块链与数十亿物联网装置的融合并非不久的将来就会发生之事。从运算方面来讲,区块链处理任务困难且耗时;而物联网装置的能力仍然相对不足,缺乏直接参与区块链的处理能力。这种限制有一个很好的理由:繁重的运算量有助于保护完整性。

正如新南威尔士大学(University of New South Wales)副教授兼研究员Salil Kanhere所说:「标准的物联网装置无法进行这种繁重的运算工作,就像你无法在一台标准的笔记本电脑上进行比特币挖矿一样。」所以,最初这种类型的应用将会首先在高阶网关上看到。

现在,业界媒体报导人工智能(AI)和区块链正在加速物联网的发展,但我认为正好相反。物联网现在已经能够提供一个架构,使区块链在其中能发挥作用。对于绝大多数边缘节点而言,区块链功能最初需要在网关中实现,网关是充当事务处理点的硬件装置。这增加了一层额外的复杂性,因为这意味着负责交易的边缘节点将不会是记录交易的装置。边缘节点将是网关的外围装置。

尽管物联网和区块链的结合现在还没有准备好,但已经是该开始考虑此种融合的时候了。因应物联网的区块链服务可能会触发在使用者之间进行公开的数据交换,并使限制存取有用资料之孤岛问题将得以化解。我们看到这些新技术的应用已经起步,在拥有足够资源的低成本处理器广泛普及之前,推动区块链部署所需的物联网系统持续改进,只是时间的问题。

Filament就是一个很好的例子。Filament是一家提供新型芯片的新创公司,其芯片使连网装置和装置能够自行完成交易,并基于规则和营运业者设定的程序创建记录在区块链上的合约。

此外,由Linux基金会(Linux Foundation)主持的全球合作组织Hyperledger也提供区块链技术的开放来源(open-source)版本。

本文来源:区块链和物联网融合:正在发生中?

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Jan-Hein Broeders ADI公司

简介

人口正在老化,越来越多的人需要健康支持,这给医疗保健整体支出带来巨大影响。有鉴于此,政府部门和健康保险企业愈来愈强调预防、健康意识和生活方式。一般而言,这不只是关于实行更多或更好的营养摄入计划,而是更关注监测某些重要身体参数。正因如此,从事智能和健康手表业务的公司近年来
营收明显增长。

买一块健康手表并监测身体参数,并不意味着您生活得更健康。健康生活的秘诀在于通过长期监测某些身体参数来更熟悉这些数值并加以利用,进而调整自己每天的生活以变得更为健康。这个过程可帮助您了解身体如何工作,以及如何降低长期健康成本。

本文围绕ADI公司最新可穿戴VSM平台而撰写,该平台如图1所示。ADI公司不是最终产品制造商。此平台旨在提供一个参考,帮助电子设计人员和系统架构师加快开发过程,为专业和医疗市场设计出更新、更智能、更精确的可穿戴设备。

测量什么、如何测量及在哪里测量

通过可穿戴设备可测量各类重要身体参数。根据总体目标,测量某些参数比测量其他参数会更重要。可穿戴设备在身体上的位置在很大程度上决定了哪些参数可以测量,哪些不能测量。最明显的位置是手腕。我们已习惯于在手腕上戴个物件,所以市场上有很多智能手表和腕戴设备之类的产品。除在手腕上进行测量以外,头部也是佩戴可穿戴设备的好地方。例如,各式各样的头戴式耳机和耳塞中含有嵌入式传感器,用来测量心率、氧饱和度、温度等参数。身体上适合可穿戴设备的第三个好位置是胸部。第一代心率监护仪就是设计在胸带上,这种生物电位测量原理至今仍是非常精确的技术。现在,我们倾向于
使用胸贴,因为胸带穿戴起来不是很舒服。已有多家制造商设计智能胸贴以监控重要身体参数。

图1. ADI公司最新第二代可穿戴VSM平台

根据身体位置,我们不仅要选择哪些参数可以测量,还要选择使用何种技术。对于心率测量,生物电位测量是最古老的技术之一。其信号很强,利用两个或更多电极便可从身体中轻松获取。针对此方法,将电路集成在胸带或耳机中再好不过。然而,在腕部等单一点处测量生物电位信号几乎不可能。必须在产生电信号的心脏周围测量。针对单点测量,光技术更合适。将光线射入组织中,捕捉并测量动脉中血流对光线的反射信号。从接收到的光信号可获知逐搏心跳信息。该技术看似相当直截了当,但事实上存在多项挑战和影响因素会使设计变得困难,比如运动和环境光线。

ADI公司第二代可穿戴设备参考平台集成了上述大部分技术。该设备设计戴在手腕上,但您也可以去除软带,将设备贴在身体上,用作智能贴片。该设备包含支持生物电位测量、光学心率测量、生物阻抗测量、运动跟踪、温度测量的技术,它们全都集成在一个微型电池供电设备中。

总体目标

ADI公司为什么设计一个类似第二代手表的系统?此类系统的目标是能够轻松测量身体的多个重要参数。该设备可同时测量多个参数并将结果存储在SD卡上,或通过BLE无线连接发送到智能设备。由于测量是同时进行,因此它也有助于发现多个测量之间的相关性。生物医疗工程师、算法提供商和企业家不断寻找新技术、应用和使用场景以期及早检测疾病,避免其发展到晚期,尽量降低疾病对身体的不利影响或损害。

单一测量不能说明任何问题

ADI公司的最新可穿戴系统是一款独一无二的设备,其中整合了嵌入式传感器、处理能力和无线通信。

图2. 传感器板第二代手表平台

该光学系统围绕光学模拟前端ADPD107而构建。它利用绿光LED测量PPG和心率,并集成红外LED以检测设备是否贴附到人体上。两个AD8233模拟前端支持生物电位ECG测量。一个前端连接到设备中嵌入的电极。一个电极位于设备背面,接触身体的一肢;第二个电极位于设备正面,可被另一肢(手)接触以形成闭合回路。第二个模拟前端可以用来配合外部电极测量ECG。用户可以像智能贴片一样穿戴该设备,并将外部电极直接连到胸部。设备背面的电极有双重功能。除ECG测量外,其还可用于皮肤电活动(EDA)测量。EDA或皮肤电反应(GSR)与皮肤电导率有关,而内部或外部刺激引起的情绪变化会改变皮肤电导率。第二代手表能够检测这种微小的电导率变化。电路基于此测量原理而构建,包括发射和接收信号链,完全采用分立器件。

其精度非常高,而功耗极小。最后同样重要的是,它还集成了用于测量皮肤温度的温度传感器和一个3轴超低功耗MEMS传感器(ADXL362)。MEMS传感器能跟踪运动,所以可用于绘制运动曲线,同时还能补偿其他测量中运动引起的伪像。运动无论何时都是一个重要参数,包括心率、SPO2和呼吸速率在内的多个重要参数十分依赖于活动,所以必须测量身体运动。当您慢跑时,140 bpm的心率没问题,但如果您是坐在沙发上休息而测得140 bpm的心率,那么您可能需要担心了。通过合并不同传感器信号,还可以支持新型应用。

设备中集成了超低功耗ADuCM3029以收集传感器数据并运行算法。图2展示了传感器板上集成的器件。

压力和连续血压

心率需要ECG或PPG测量,因此不用合并传感器输出,除非希望补偿运动造成的伪像。需要多种测量的使用情形包括压力管理和连续血压监测。情绪状态可通过监控皮肤电导率变化来测量。这只是一个参数,但如果将它与其他参数合并监测,比如心率和心率变异(HRV),那么测量值将提高很多。还可以包括皮肤温度,作为额外的压力测量输入。另一个有意义的使用情形是血压监控。这是一个非常重要的参数,大部分系统是基于袖带的,很难集成到可穿戴式连续监控系统中。但是,某些技术无需袖带便可测量血压。有一种技术利用脉搏波传输时间(PTT),即测量R波上心脏收缩时刻到脉搏到达手指时刻的动脉PTT信号。此传输时间与血压直接相关。图3显示了ECG和PPG的组合测量。该手表可用于执行此测量,因为它同时支持ECG和PPG测量。

图3. ECG测量与PPG结合

原型到产品

第二代手表在一个小型可穿戴设备中嵌入了许多高性能传感器和特性。除电子设计外,还考虑了许多机械设计方面。这使得该平台对聚焦于半专业和专业市场及医疗市场的设计公司和设备制造商极具吸引力。多个参数可以同时测量,但算法需要助力应用并支持使用场景。此设备将能让开发商和设备制造商快速启动开发流程,无需验证算法或在测试前构建原型。第二代手表供货数量有限,ADI公司非常有兴趣与设计公司和算法提供商合作,开发可出售给专业看护和医疗保险公司的先进系统。某些特性已经满足医疗要求,其他特性尚待改进,但ADI公司无疑已走在正确的道路上。

欲了解更多信息,请访问: www.analog.com/healthcare

作者简介

Jan-Hein Broeders是ADI公司负责欧洲、中东和非洲业务的医疗健康业务开发经理。他与医疗健康行业密切合作,将他们现在和将来的需求转化为各种解决方案,这些方案基于ADI公司市场领先的线性和转换器技术和数字信号处理与电源产品。

Jan-Hein 20年前开始投身半导体行业,担任Burr-Brown模拟现场应用工程师,负责Benelux和Scandinavia。在德州仪器收购Burr-Brown五年后,他加入ADI公司,担任飞利浦全球现场应用工程师(FAE)。自2008年起,他开始从事目前的医疗健康业务开发工作。他拥有荷兰斯海尔托亨博斯大学的电气工程学士学位。

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Ian Beavers ADI公司

简介

工业联网机器可以感知众多信息,以用于工业物联网(IIoT)中的关键决策。边缘节点中的传感器可以在空间上远离任何数据聚合点。它必须通过将边缘数据连接到网络的网关进行连接。传感器构成工业物联网生态系统的前端边缘。测量阶段将检测到的信息转换为压力、位移、旋转等可量化数据。可以对数据进行过滤,只连接节点以外最有价值的信息,以便进行处理。在低延迟连接条件下,只要关键数据可用即可作出关键决策。

检测、测量、解读、连接

边缘节点一般必须通过有线或无线传感器节点(WSN)连接到网络。在信号链的这一部分中,数据完整性仍然十分关键。如果通信不一致、丢失或损坏,则优化检测和测量数据几乎没有价值。理想情况下,要在系统架构设计期间预先设计鲁棒的通信协议。最佳选择取决于连接要求:范围、带宽、功率、互操作性、安全性和可靠性。

有线设备

在连接的鲁棒性至关重要的情况下(如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET和ModbusTCP),工业有线通信发挥着关键作用。远距离传感器节点可以用无线网络向网关回传信息,网关则依赖有线基础设施。数量较少的连网物联网节点会一律使用有线通信,因为多数这些设备会采用无线连接。借助有效的工业物联网连接策略,可以将传感器安装在可以检测到有价值信息的任何地方,不仅是现有的通信设施和电源基础设施所在之处。

传感器节点必须有与网络通信的方法。以太网在有线领域占据主导,因为工业物联网框架把更高层的协议映射于这类连接上。具体的以太网实施方案的速率范围为10 Mbps至100 Gbps及以上。高速率通常面向互联网主干网,用于连接云中的服务器群。

详文请阅:边缘智能第3部分: 边缘节点通信

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目前,我们正在把万事万物连接起来,因此物联网诞生。一旦完成这一整体连接,其带来的总体成果就能使我们开始着手打造下一系列令人兴奋的新系统。然而,此举产生了大量必须予以信任和处理的数据。

目前,我们正在把万事万物连接起来,由此,物联网(IoT)诞生了。一旦完成这一整体连接,其带来的总体成果就能使我们开始着手打造下一系列令人兴奋的新系统。然而,此举产生了大量必须予以信任和处理的数据。

但是,正如人们所说的:“买家要小心”。物联网很好,但是其整体连通性也为无意或恶意的数据损坏和污染提供了机会,但这些漏洞可以使用加密方法予以解决。系统设计师面临的一个决择是:是选基于软件还是基于硬件的安全方案。这两种技术都能防范数据遭受未经授权的读取或者修改;然而,我们有必要在最终选择之前,对其不同特征进行进一步检视。

基于软件的安全

软件安全系统利用已有的系统资源,率先在市场上出现。这些解决方案由于是与系统中其他程序共享资源来保护和保卫数据,因此相对便宜。软件实现的另一个功能是能够随着威胁和漏洞的演进而修改和升级安全性。

软件安全系统增加了主处理器的工作量,因此可能会影响整个系统的效率。除了这些担忧之外,软件方法是系统安全架构中的薄弱环节,秘密仍然容易被发现,且算法通常运行在通用的非安全硬件上,同样有被攻击的风险。

综上所述,基于软件的安全具有成本效益,其在物理安全环境中可以有效地防止未经授权的系统接取。

基于硬件的安全

基于硬件的安全使用专用集成电路(IC)或具有专用安全硬件的处理器——它们专门为提供加密功能和防范攻击进行设计。加解密和身份认证等安全操作发生在对密码算法性能优化过的IC硬件层面,另外,密钥和终端应用的关键参数等敏感信息被保护在加密硬件的电气边界内。

安全IC包含数学加速器、随机数生成器、非易失存储器、篡改检测和物理不可仿制功能(PUF)等电路模块。PUF模块特别有趣——它具有独特的特性,可以使密钥等敏感数据免受入侵或利用反向工程提取。美信(Maxim)DS28E38是整合了PUF的安全IC的一个例子——它既可以生成密钥,又可以防止侵入式安全攻击。

对芯片进行篡改既非常困难又很昂贵,因此网络犯罪分子无法对基于硬件的安全实施攻击。另外,当受到攻击时,安全IC能够在遭受破坏之前关闭操作并毁掉敏感数据。这种解决方案可能会稍微贵一些,但它可大大降低嵌入式设备、周边和系统遭受未经授权访问的风险。

基于硬件的安全对所有应用环境,尤其是对那些终端设备暴露在外、可被坏人物理接触的环境非常有效。

系紧你的安全带

总之,安全可是个复杂课题。但是,为了防止物联网设备等终端产品上发生不好的状况,我们必须直接面对和解决这个问题。基于软件的安全是种选择,但硬件安全解决方案才是通向全面、可靠的安全之路。

本文来源:物联网安全:硬件还是软件可靠?

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