2025年人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连白皮书

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第1页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连互联设备提升人工智能的实用性分析师将人工智能物联网（AIoT）大致定义为人工智能（AI）与物联网（IoT）的融合1，利用AI让物联网设备变得更智能、更具自主性。但这是一个以设备为中心的“小数据”的定义。从战略层面的“大数据”视角来看，AIoT是机器智能与现实世界之间的连接。用于AI训练和推理的大数据最初是由网络边缘与事物和人交互的设备所采集的小数据。这些IoT传感器和人类输入设备是真实数据的来源，它们让AI变得实用且有价值。换言之，互联设备构成了神经系统，并将AI与我们的世界相连。AIoT让AI变得真实且有意义。 AIoT与设备连接的价值 AI对可靠的、现实世界的数据有着无尽的需求，以此来推动训练和推理。因此，AI的快速发展需要大量关于我们所处世界的准确数据，而这种依赖从根本上改变了设备连接的经济价值。过去，评估一个联网设备的价值往往基于其功能的内在价值，比如恒温器能够测量温度并控制HVAC系统。但如今，AI拓展了设备的价值主张，使其价值还包括对能源管理等更高级别系统的贡献。设备总价值 = 功能价值 + AI贡献价值 - 设备成本基于AI的生态系统能从互联的传感器和控制器中提取更多信息，有可能使每个参与设备的价值大幅超越其基本功能。然而，每个设备的AI贡献价值会因使用案例和解决方案规模而异，所以AI并不能成为随意提高设备价格的理由。功能价值仍然设定了客户对成本的基本预期，因此，开发盈利的AIoT设备的关键在于尽可能高效地添加AI功能和生态系统连接——而具有成本效益的连接正是本文的重点。 1最纯粹的AIoT形式是指在设备上（即在边缘）执行AI，无需外部连接。维基百科，人工智能物联网， 2024年1月7日第2页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月如需了解IoT设备特定AI使用案例的更多信息，请阅读Moor Insights & Strategy（MI&S）恩智浦Matter系列第三篇论文《Matter for CE Product Manufacturers》（面向CE产品制造商的Matter）。智能家居AI的例子包括能源管理、HVAC优化、家庭安全、安防、健康与保健以及居家养老支持。这些先进的、由AI驱动的应用需要情境感知能力，即实时感知、理解和应对复杂情况的能力。因此，AI应用必须与家庭的多个系统相连接，如灯光、门窗、摄像头、安全传感器、HVAC、家电、AV设备、管道、灌溉系统、泳池、汽车和能源等。通用连接需要在两个方面进行标准化——设备网络和应用层。让我们以消费电子行业为例来看看这是如何运作的。 AIoT重新定义设备连接性 AI的爆发式增长促使联网设备制造商来满足IoT产品快速增长的需求，这些产品能为基于AI 的生态系统提供现实世界的输入。从连接的角度来看，这需要：（1）标准的、广泛可用的基于IP的网络；（2）一个软件应用层，能在设备和应用之间实现直接、安全的多厂商通信。这种对设备连接的新定义在垂直领域内将消息分发与消息内容相结合。连接的标准化可加速产品开发、简化设备安装并降低产品总成本。消息内容的标准化则通过实现与多个应用和生态系统的有效连接，进一步提升了设备的价值。接下来两个部分将探讨利用极少的IP网络以及特定领域应用层来打造面向大众市场的AIoT产品的可行性。标准设备网络全球有数百种各具特色的设备网络——有线、无线、基于IP、非IP、全栈式、LAN、PAN、 LP-WAN、蜂窝网络、卫星网络等等，连接着数十亿台设备。这些网络在过去30年中不断发展演变，每一种都有其令人信服的应用场景和商业模式。起初，网络的快速创新让嵌入式设备制造商能够基于能效、覆盖范围、mesh网络技术、安全性、易用性、设备功能、成本和产品兼容性等方面来打造差异化产品，而无需等待繁琐复杂的全行业标准化流程。然而等待是值得的。如今，少数几个行业标准网络涵盖了所有相关的设备联网特性和功能。设备连接第3页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月的快速创新阶段已经结束。我们现在处于融合阶段，而且已经到了这样一个阶段：大多数专用网络技术已无明显差异，只会增加市场阻力和成本，却无法带来竞争优势。产品公司现在可以从极少的关键设备网络中进行选择。四种局域网加上蜂窝网络、卫星网络和LP-WAN就能满足大多数应用场景。其他专用网络则用于填补空白。 • 标准局域设备网络 o 以太网——有线 o Wi-Fi——无线 o Thread——无线低功耗mesh网络 o 低功耗蓝牙——点对点，易于配对 • 标准广域设备网络 o 蜂窝网络——移动性 o 卫星——全球覆盖 o LP-WAN——长距离、低带宽、低成本 • 专用设备网络 o 需要网关、协议转换、网桥 o 一些示例：Zigbee、Z-Wave、pre-IP KNX和BACnet 七种基于标准的设备网络（LP-WAN是特例，下文会提及）利用互联网协议可支持大多数主流AIoT应用场景，而且除蜂窝网络和卫星网络外，所有无线网络都使用免授权无线电频谱。让我们来一探究竟。局域设备网络以太网、Wi-Fi和低功耗蓝牙已融入我们的日常生活，无需过多介绍。Thread同样无处不在，但大多数消费者可能已经习以为常。过去几年里，智能音箱等面向大众市场的设备已具备 Thread连接能力，许多新款智能手机也支持Thread，因此很多家庭其实已经在使用这项技术了。以太网和Wi-Fi可满足有线和无线的高带宽应用场景需求，Thread能为受电力限制的设备提供mesh网络连接，而低功耗蓝牙则适用于设备设置和直接控制等点对点任务的连接。第4页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月这三种无线网络的组合几乎能满足所有家用IoT产品的技术连接需求，许多商用和工业IoT产品也会使用Wi-Fi。尽管Thread在商业应用场景中的效果还有待验证，但Thread Group的路线图中包含了可实现更大规模部署的增强功能。在对高效的基于IP的mesh网络连接的强劲需求推动下，Thread已经开始进入商业环境，而且这一趋势在未来几年可能会加速发展。 Zigbee等低功耗mesh网络已经存在了数十年，并且有大量的存量设备，那为什么还要选择Thread呢？Thread从一开始就是为IP网络设计的，它能像Wi-Fi一样传输相同的信息，但基于低功耗mesh网络。简单的、基于标准的Thread边界路由器可以将任何Thread设备连接到任何IP骨干网络，无需进行协议转换，也不需要网关或集线器。此外，Thread与 Zigbee一样，使用相同的行业标准802.15.4无线电子系统，因此多家供应商都能轻松提供相关的无线电芯片。展望未来，Thread是实现安全、可靠、低功耗mesh网络连接的最佳选择。利用Wi-Fi、Thread和低功耗蓝牙来构建IoT产品既简单又经济。芯片厂商将这三种无线电通信功能集成在单个芯片上，并配备统一的软件协议栈。恩智浦的“三频无线”技术通过以下方式将产品集成成本降至最低：（1）降低设备复杂性；（2）无需进行网络协议栈软件开发；（3）解决了共享同一频段（2.4GHz）的多无线产品固有且棘手的共存问题。恩智浦将 “三频无线”技术与应用微控制器相结合，实现了低功耗单芯片产品。微处理器（Linux）产品需要更高的配置灵活性，因此恩智浦也将“三频无线”技术封装成独立芯片。无论哪种方式，利用免授权频谱实现统一连接都是连接IoT设备最具成本效益的方式。广域设备网络局域设备网络使用基于标准、现成的单芯片（或双芯片）无线电，在免授权频谱下运行，可满足大多数AIoT应用场景。然而，这些无处不在且成本低廉的网络无法满足需要移动性、偏远地区、高连接密度、可控QoS、极高安全性或长距离通信的应用场景。蜂窝网络、卫星网络和 LP-WAN网络可填补这些空白，本节将进行介绍。以下示例仅为说明，并不涵盖所有情况。第5页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月 • 移动性——广域设备网络为需要移动性的应用提供支持，如汽车、货运、交通、航运、石油和天然气、采矿、医疗监测，以及其他任何户外移动场景。 • 偏远地区——在固定宽带无法覆盖的地方，蜂窝网络和卫星服务可填补连接空白。相关应用包括农业、建筑、户外设备、智慧城市、公用事业和环境监测等。对于一些低带宽需求的场景，可以使用成本更低的LP-WAN技术，如LoRaWAN。 • 高连接密度——5G网络每平方公里可支持多达一百万个连接。在体育场馆等场所， 5G既能连接数万名移动用户，又能同时连接照明、安保、安全系统和标识牌等设备。 • 可控服务质量（QoS）——蜂窝网络，尤其是5G网络，能为对服务质量（带宽和延迟）有严格要求的应用提供可预测的性能。而对于Wi-Fi的QoS控制，安装人员通常采用超额配置接入点和限制用户接入的方式，即部署足够多的接入点，以确保在最坏情况下也能有可接受的性能。这在大多数消费和工业场景中可行，但对于关键基础设施或安全相关应用来说还不够好。 • 高安全性——自20世纪90年代初以来，SIM卡就为移动设备提供了安全保障。如今，超过70亿台设备使用基于SIM卡的安全机制。对于AIoT设备，同样的安全元件和支持智能手机的可扩展基础设施能在关键领域提供高级别的链路安全，如临床医疗设备、重工业和关键基础设施等。不过，所有应用都应在每个网络链路（蜂窝网络、以太网、Wi-Fi或Thread）之上添加端到端的安全层。关于Matter标准如何利用该安全层保障连接安全的详细信息，请参考相关章节。 • 长距离——诸如LoRaWAN这样的LP-WAN技术能以低带宽、低功耗实现惊人的长距离连接。这些专用网络使用免授权频谱，开发简单、部署容易、运营成本低且有一定的安全性。应用场景包括公用事业计量、智慧城市、停车管理、环境监测、宠物追踪和农业等。虽然LoRaWAN可以承载IP协议，但其带宽很低且消息语法高度精简，无法直接与Wi-Fi、Thread或其他IP网络互操作。不过，网关可以将高度压缩的LoRa无线协议转换为IP协议，因此从应用角度看，LoRa就像一个IP网络。专用设备网络如本节开头段落所述，IoT连接架构极为多样。数十亿台设备使用着数百种不同的IoT网络及第6页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月其变体。拥有大量已安装设备的产品公司通常不愿从这些专用连接方案转向标准网络上的互联网协议。然而，出于以下三个原因，向互联网协议过渡具有很好的商业意义。首先，基于IP的产品可以与许多其他设备和应用程序连接，包括高价值的、由AI增强的生态系统。梅特卡夫定律2 告诉我们，网络的经济价值与连接设备数量的平方成正比，因此与更大的生态系统进行互操作可以增加产品价值，或许不会达到n2的增长，但肯定会实现超线性增长。其次，基于标准网络的产品开发和制造成本更低、速度更快。第三，使用标准网络可以将技术债务降至最低，因为主流技术的长期支持成本要低得多。基于IP技术打造新产品并不意味着要抛弃使用专用的、非IP网络的客户和产品。具备协议转换功能的网桥和网关可以让基于IP的设备和非IP设备共存，从而保护客户在旧有连接方式上的投资。例如，Matter规范定义了能够在Matter消息和命令与非IP等效消息和命令之间进行转换的网桥。Matter是一项面向消费者的标准，但其他应用领域也可以定义类似的协议转换方案。标准应用层互联网协议（IP）使消息能够在承载IP的网络上传输，而无需经过集线器、网关或协议转换器。因此，应用可以使用相同（或相似）的消息有效负载与通过Wi-Fi、Thread、卫星或蜂窝网络连接的IoT设备进行通信。基于IP的通信链路是实现设备连接标准化的首要条件。第二个条件是一个应用层—同一种通用语言—同一种设备语言，用于IP网络上传输的消息有效负载内容的标准化。应用层安全和隐私应用层可在任何IP网络上实现安全、私密的端到端通信。由于网络流量很容易被“窃听”，所以应用层需要额外的安全防护措施。Wi-Fi和Thread网络能防止外部访问，但消息有效负 2梅特卡夫定律–https://en.wikipedia.org/wiki/Metcalfe%27s_law 第7页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月载对所有已连接设备都是可见的。同样，以太网消息对于任何接入网络的设备来说也是公开的。应用层会对设备和应用之间的消息进行加密，这样网络中的其他节点就无法读取这些消息。HTTPS就是我们日常使用的一种应用层案例，它利用传输层安全协议（TLS）来维护互联网流量（如网页）的安全。Matter等IoT应用层也具有相同的功能，能在任何网络（或网络组合）上实现私密、安全的端到端通信，而且很多都和您的网络浏览器一样，采用了 HTTPS和TLS协议。不过，IoT应用层会运用专门的技术来验证设备和应用的真实性，并管理操作凭证。应用层语义除了提供网络安全保障外，应用层还拥有同一种通用语言——同一种数据模型，用于定义特定应用领域内应用与设备之间的通信方式。对于消费类应用而言，像“打开灯”这样的指令以及“温度为82度”这样的传感器读数对于每个应用和设备来说都应该具有相同的含义。下一节将介绍Matter为智能家居领域定义了一个应用层。而商业建筑、医疗保健、零售、农业或智慧城市等其他领域的应用层则有独特的设备定义、属性和安全架构。下面我们先介绍一下Matter，然后再看看如何将相同的概念应用到其他领域。 Matter——智能家居的标准应用层 Matter是连接标准联盟（CSA）推出的全新智能家居连接标准。它是一种典型的应用层例子，能在以太网、Wi-Fi和Thread等IP LAN网络上实现设备安全、隐私和消息语义的标准化。本节将简要介绍Matter，并探讨其作为AIoT应用层的关键特性。 Matter简介 Matter的主要目标是统一消费类设备网络和协议，这样任何制造商生产的认证产品都能通过现有的网络基础设施实现无缝互操作。如需详细了解该标准，请参考恩智浦Matter系列的其他三篇MI&S白皮书：第8页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月 • Matter——让智能家居更智能——Matter简介 • Matter——让智能家居更安全——深入探究Matter的安全模型 • 面向CE制造商的Matter——从CE制造商的角度对Matter行业影响的战略分析 Matter标准推出至今已有一年多时间，在撰写本文时已发布到第三个版本。它得到了各大 CE品牌的大力支持，成员数量显著增长，已有超过1200款认证产品，涵盖的设备类型也在不断增加3。Matter的主要目标是实现无缝互操作性，这需要网络标准化，但这其实相对容易做到。Matter使用了以太网、Wi-Fi和Thread这些应用最为广泛的IP网络。真正的难点在于对应用层进行标准化，从而让设备和应用程序能够在任何IP网络上实现互操作。 Matter作为AIoT应用层 Matter定义了一个应用层——位于网络层传输之上的一种连接“fabric”。Matter fabric 有两个独特的组成部分： 1. 安全和隐私——用于确保设备可信、管理安全的设备连接，以及对所有消息进行端到端加密的方法 2. 语义（数据模型）——一种在该fabric上实现高效设备通信的通用语言 Matter是一种虚拟的设备连接延伸——构建于基于物理IP的网络之上的fabric。Matter协议对网络节点进行身份验证和授权，创建并管理安全fabric，同时定义在该fabric内传输的消息的结构和语义。 Matter安全和隐私我们的白皮书《Matter——让智能家居更安全》详细介绍了信任和安全方面的内容，下面简单概述一下Matter如何将新设备添加到家庭网络中。首先，Matter会检查设备的来源，以确认其已通过认证且值得信赖。接着，Matter会启动用户友好的设置流程来安装和配置 3Matter 1.2发布博客——连接标准联盟，2023年10月23日https://csa-iot.org/newsroom/matter-1-2- arrives-with-nine-new-device-types-improvements-across-the-board/ 第9页人工智能物联网（AIoT）：将人工智能与现实世界相连版权所有 ©2024 Moor Insights & Strategy 2024年5月设备，通常只需在智能手机上点击一下，然后通过临时的低功耗蓝牙（Bluetooth LE）设备连接进行自动配置会话。最后，Matter通过交换密钥让设备入网，这些密钥会对所有设备间的通信进行加密。 Matter语义 Matter的数据模型定义了一种用于设备通信的“语言”。这种标准语言确保了诸如开启、关闭、亮度、温度以及颜色等功能控制和传感器值在所有设备上都具有相同的含义。最终形成一个全面且不断扩充的字典，用于基于IP网络的设备通信，并明确规定每种受支持设备类型的消息结构、数据类型、属性和命令。无处不在的设备连接时代已然来临。借助Matter，制