適用于工業(yè) IoT 穩(wěn)健系統(tǒng)的設(shè)計解決方案

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè) IoT (IIoT) 目標(biāo)相同，都是將傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成有用的信息。但是，對于開發(fā)人員來說，最大的區(qū)別在于基本要求，包括電源、連接性及設(shè)計可靠性和穩(wěn)健性。

IoT 要求尺寸小、電池供電以及無線連接，這表示要使用帶一體式射頻子系統(tǒng)的低功耗 MCU 進(jìn)行藍(lán)牙或 Wi-Fi 通信。與此相反，工作條件惡劣、大量本地傳感器和舊版系統(tǒng)這三方面的綜合作用，則推動了對穩(wěn)健互連及使用能夠卸載傳統(tǒng) PLC 的邊緣設(shè)備的需求。

本文將解決 IIoT 應(yīng)用相對于消費(fèi)類 IoT的一些獨(dú)特要求。這表明，盡管有額外要求，開發(fā)人員仍能找到各種各樣的解決方案來滿足針對任一領(lǐng)域之應(yīng)用的特定要求。

消費(fèi)類和工業(yè) IoT 之間的差別

IoT 和 IIoT 的應(yīng)用目標(biāo)相似，都是力爭從由傳感器采集的數(shù)據(jù)流中獲取有用的信息。二者均依賴于外設(shè)設(shè)備直接或通過一些中間資源與高級應(yīng)用通信時所用的多層方法。但是，除了這些相似性之外，它們各自要求的性質(zhì)導(dǎo)致外設(shè)設(shè)備的設(shè)計和連接性存在本質(zhì)區(qū)別。

例如，針對保健和健身的 IoT 傳感器設(shè)計通常與在惡劣環(huán)境中準(zhǔn)確監(jiān)視和可靠控制工業(yè)設(shè)備所需的 IIoT 外設(shè)傳感器和致動器無相似之處。同樣地，IoT 和 IIoT 網(wǎng)絡(luò)的連接性可能會帶來完全不同的要求。

連接性通常代表 IoT 和 IIoT 系統(tǒng)實(shí)施之間的特征之一。如下所述，IIoT 在傳統(tǒng)上依賴于可編程邏輯控制器 (PLC) 和其他主機(jī)的硬連接，該方法的原理在今天依然很大程度上有效。與此形成鮮明對比的是，面向個人和家居使用的 IoT 應(yīng)用通常繞著用戶智能手機(jī)或其他移動設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用轉(zhuǎn)，并通過藍(lán)牙或 Wi-Fi 局域網(wǎng)連接到 IoT 設(shè)備或可穿戴設(shè)備。

針對家庭或辦公應(yīng)用的 IoT 設(shè)備設(shè)計，通常在功率和尺寸方面存在重大限制。對于這些應(yīng)用，消費(fèi)者期待大多數(shù) IoT 設(shè)備和所有可穿戴設(shè)備電池在一次充電后可以長時間供電。針對可穿戴或擺放在家里或辦公室顯眼位置的產(chǎn)品的 IoT 設(shè)計，通常在易用性、防水和防塵、最低設(shè)計封裝及與其他主流消費(fèi)產(chǎn)品相關(guān)的其他特性方面存在額外的產(chǎn)品工程設(shè)計要求。同時，設(shè)計成本和簡潔性成為尋求更快交付有競爭力產(chǎn)品之組織十分關(guān)切的問題。

低功耗無線 MCU 的出現(xiàn)提供了一種解決方案，可以解決這些經(jīng)常相互沖突的要求。無線 MCU 通過將射頻子系統(tǒng)與處理器核相集成，提供一種更簡單的方法，不僅減少了零件計數(shù)，還消除了與射頻集成相關(guān)的設(shè)計難題，從而加快了整體開發(fā)的速度。

Dialog Semiconductor 的DA1458x 系列設(shè)備等無線 MCU 集成了一個處理器核，藍(lán)牙射頻子系統(tǒng)、堅固的單片存儲器和大量模擬和數(shù)字外設(shè)。MCU 圍繞低功耗 32 位 ARM?Cortex?-M0 處理器核構(gòu)建，設(shè)計用于最大限度降低電池供電產(chǎn)品的功耗。MCU 的一體式低功耗藍(lán)牙核與射頻子系統(tǒng)僅使用 3.4 毫安 (mA) 進(jìn)行發(fā)射 (Tx) 和 3.7 mA 進(jìn)行接收 (Rx)，MCU 的整體典型功耗分別為 4.88 mA 和 5.28 mA。

存儲器擴(kuò)展

Dialog 提供針對特定工作要求進(jìn)行了優(yōu)化的各種版本的 DA1458x MCU。例如，DA14581針對無線充電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，而DA14585和DA14586適用于需要小尺寸、低功耗和大量存儲空間的可穿戴設(shè)備和智能家居應(yīng)用。

Dialog Semiconductor DA14585 包括 96 千字節(jié)的 SRAM 工作存儲器；128 千字節(jié)的 ROM 用于引導(dǎo)代碼和藍(lán)牙棧；以及 64 千字節(jié)的一次可編程 (OTP) 存儲器用于應(yīng)用代碼、藍(lán)牙配置文件和配置數(shù)據(jù)。DA14586 提供與 DA14585 相同的特性，但增加了 2 兆比特片載閃存塊，正常操作期間，對總功耗幾乎不產(chǎn)生影響。

如果設(shè)備要求更大的程序內(nèi)存，開發(fā)人員可以使用 MCU 的 SPI 或 I2C 接口輕松添加一個外置閃存設(shè)備，如Winbond ElectronicsW25X202 兆比特閃存或W25X404 兆比特閃存（圖 1）。閃存設(shè)備采用 2 x 3 mm 小型無引腳器件 (USON) 包裝，只會讓設(shè)計封裝適度增大。另一方面，使用外置閃存會使功率消耗相比較使用 MCU 的 OTP 或 DA14586 的內(nèi)置閃存時遞增。功耗增加的原因包括：外置閃存較長的 SRAM 加載時間、較高的外置閃存編程電流水平及外置閃存待機(jī)時較高的電流水平甚至斷電模式。

圖 1： 對于需要內(nèi)存多于 Dialog Semiconductor DA14585 等無線 MCU 中所集成內(nèi)存的 IoT 設(shè)備，開發(fā)人員可以只通過 SPI 或 I2C 接口連接外置閃存設(shè)備。（圖片來源： Dialog Semiconductor）

傳感器數(shù)據(jù)

對于傳感器數(shù)據(jù)采集，工程師可以利用集成在 Dialog Bluetooth MCU 等無線 MCU 中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。某些情況下，工程師或許能夠?qū)鞲衅鬏敵鲋苯羽佀偷?MCU 的 ADC 端口，且可能會通過一個簡單的運(yùn)算放大器來緩沖。

然而，對于大多數(shù) IoT 應(yīng)用，有關(guān)傳感器負(fù)載、線性度、溫度補(bǔ)償、信號擺動、噪聲的問題及其他注意事項需要更多的模擬信號鏈。即使使用可用的模擬前端 (AFE) 設(shè)備構(gòu)建，獨(dú)立的傳感器設(shè)計也會增加復(fù)雜性，經(jīng)常延誤項目完成。然而，通過利用更多的智能傳感器，開發(fā)人員可以快速創(chuàng)建 IoT 設(shè)計，其中除了單個無線 MCU 和智能傳感器外，只包括較少的幾個元器件。

智能傳感器結(jié)合適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c完整的傳感器信號鏈。這些信號鏈針對特定的傳感器類型進(jìn)行了優(yōu)化，組合了由功率放大器、過濾器和多路復(fù)用器組成的模擬前端，從而向一體式 ADC 提供條件信號。這些智能傳感器通常集成數(shù)字信號處理引擎，可以獨(dú)立于主機(jī) MCU 之外執(zhí)行大量傳感器信號處理操作。例如，TDK InvenSenseICM-20789集成式測量裝置 (IMU) 集成了數(shù)字運(yùn)動處理器，其設(shè)計旨在獨(dú)立于主處理器之外執(zhí)行運(yùn)動處理算法。該設(shè)備可以處理數(shù)據(jù)生成的各個方面 — 從傳感器獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)保存在 FIFO 中供主機(jī) MCU 稍后訪問。

與所有的智能傳感器一樣，ICM-20789 的高集成度及標(biāo)準(zhǔn) I2C 和 SPI 端口確?？焖俚脑O(shè)計實(shí)現(xiàn)。開發(fā)人員只需要額外增加幾個元器件，包括穩(wěn)壓器Texas InstrumentsTLV702系列低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器（圖 2）。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成時，智能傳感器可以喚醒睡眠的 MCU 來處理數(shù)據(jù)。

圖 2： 由于 TDK InvenSense ICM-20789 IMU 等智能傳感器的集成度高，開發(fā)人員只用幾個元器件便可以實(shí)現(xiàn)完整的無線傳感器設(shè)備。（圖片來源： TDK InvenSense）

高效的 MCU 低功耗模式和獨(dú)立的智能傳感器操作組合為開發(fā)人員提供一個強(qiáng)大的平臺進(jìn)行高能效的 IoT 設(shè)備設(shè)計。

惡劣環(huán)境

與 IoT 應(yīng)用一樣，IIoT 使用多個數(shù)據(jù)流提供有用的信息。但是，利用 IIoT，構(gòu)建出傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)自己能夠應(yīng)對惡劣操作條件、傳感器布置和維護(hù)限制及舊版?zhèn)鞲衅髟O(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)的組合。

與大多數(shù) IoT 應(yīng)用不同的是，電池供電設(shè)備在工業(yè)環(huán)境中通常無法使用。繁忙的操作人員沒有時間更換電池。在塵土飛揚(yáng)的嘈雜環(huán)境中，甚至人工處理這些微型設(shè)備都可能成問題。與預(yù)期用于此環(huán)境的任何電子設(shè)備一樣的是，開發(fā)人員需要創(chuàng)建能夠應(yīng)對灰塵、液體、物理應(yīng)力、電氣干擾等等的穩(wěn)固機(jī)械和電氣設(shè)計。

為解決這些狀況，工業(yè)自動化設(shè)計人員已經(jīng)使用通過穩(wěn)健的互連和通信協(xié)議硬接線到 PLC 的傳感器模塊進(jìn)化演變出能夠耐受惡劣環(huán)境的解決方案。在互連系統(tǒng)中，M12 已成為工業(yè)以太網(wǎng)、模擬接口和數(shù)字串聯(lián)接口的首選互連解決方案。

M12 互連系統(tǒng)有各種組件和引腳配置可用，為維持各種電壓和電流水平下外設(shè)設(shè)備的可靠連接提供了一種標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)固的解決方案。例如，Molex1200700156等 M12 電纜組件具有 IP67 防護(hù)等級以及每個觸頭 250 V 和 4 A 的額定電壓和電流。

在通信協(xié)議中，IO-Link 同樣出現(xiàn)在工業(yè)自動化和 IIoT 部署中。在信號電平處，IO-Link 提供能夠同時支持舊版模擬傳感器系統(tǒng)和最新數(shù)字傳感器的標(biāo)準(zhǔn)連接協(xié)議。隨著專用 IO-Link 設(shè)備的推出，開發(fā)人員只需將外設(shè)設(shè)備 MCU 連接到Maxim IntegratedMAX14827A等專用的 IO-Link 收發(fā)器并在本地主機(jī)系統(tǒng)或 PLC 上增加一個諸如 Maxim IntegratedMAX14819的 IO-Link 主設(shè)備便可以執(zhí)行 IO-Link 連接。開發(fā)人員使用標(biāo)準(zhǔn)的四觸頭 M12 互連組件（如先前提到的 Molex 1200700156）完成外設(shè)傳感器與主機(jī)/PLC 之間的 IO-Link 連接。

分布式網(wǎng)關(guān)

使用穩(wěn)固的 M12 互連和 IO-Link 通信可解決工業(yè)環(huán)境中數(shù)據(jù)和信號連接的基本要求。IIoT 不僅延續(xù)了傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的要求，而且還使用通常更多數(shù)量的傳感器設(shè)備對其進(jìn)行了大幅擴(kuò)展。反過來，外設(shè)傳感器和 IO 通道的激增對工業(yè)環(huán)境帶來了至少物流方面的巨大挑戰(zhàn)。不僅現(xiàn)有的 PLC 存在 IO 過載威脅，而且電纜數(shù)量的劇增也會使設(shè)施電纜敷設(shè)大增。

為了解決與 IIoT 相關(guān)的日益增長的傳感器負(fù)載，各組織都在尋求可以補(bǔ)償傳統(tǒng) PLC 的更靈活的方法。在替代方案中，緊湊的 I/O 處理系統(tǒng)提供了現(xiàn)成的解決方案來應(yīng)對與 IIoT 相關(guān)的 I/O 擴(kuò)展。這些緊湊系統(tǒng)最簡單的作用是用作微型 PLC，為處理超出設(shè)施現(xiàn)有 PLC 容量的傳感器饋送激增提供快速解決方案。在工業(yè)環(huán)境中，組織可以將這些小系統(tǒng)分布到整個設(shè)施中，將它們放置在設(shè)備附近以減少電纜敷設(shè)或與舊版 PLC 串聯(lián)以擴(kuò)展 I/O 通道功能。

Maxim IntegratedPocket IO系統(tǒng)等微型 PLC 最簡單的作用是用作 I/O 通道擴(kuò)展器，以提供大量的數(shù)字、模擬和 IO-Link 接口。Pocket IO 平臺提供 30 個 I/O 通道，其中包括模擬 IO、數(shù)字 I/O、RS485 通道、編碼器電機(jī)控制端口及四個 IO-Link 主通道的組合。平臺的控制程序在平臺三板組合中的主板上所安裝的 Intel Edison 板上運(yùn)行（圖 3）。

圖 3： Maxim Integrated Pocket IO 組合了在其 Intel Edison 處理器上運(yùn)行的軟件所控制的各種 IO 通道，從而為 IIoT 網(wǎng)絡(luò)提供插入式微型 PLC 解決方案或用作定制 IIoT 網(wǎng)關(guān)設(shè)計的 IIoT 網(wǎng)絡(luò)。（圖片來源：Maxim Integrated）

Pocket IO 平臺利用其豐富的 IO 和程序特性，不僅提供直接替代型解決方案，還為定制要求提供參考設(shè)計。

Pocket IO 等平臺不僅減輕了 PLC 增加的 IO 負(fù)擔(dān)，還提供了一種更簡單的替代方案來進(jìn)行程序開發(fā)。傳統(tǒng)的 PLC 使用一種專用編程語言，比如會使不同 PLC 平臺之間的 PLC 程序遷移變得十分復(fù)雜的梯形邏輯。

由于 Pocket IO 等小型系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的處理器，開發(fā)人員可以使用 C/C++ 等標(biāo)準(zhǔn)語言和熟悉的開發(fā)環(huán)境對其微型 PLC 和其他邊緣設(shè)備進(jìn)行編程。例如，在 Pocket IO 參考設(shè)計中，開發(fā)人員可以使用 Arduino 草圖及其集成式開發(fā)環(huán)境 (IDE) 快速實(shí)現(xiàn)功能以處理信號（列表 1）。

// Makes Pocket IO analog input API available

//

#include // no init() method

PioAi pioAi; // instances an analog input interface object

pioAi.init(); // always needed for analog input

// Loads a previously stored calibration for that channel,

// usually done once at setup

//

pioAi.restoreCal(AI0);

while (XXX)

{

// Reads one sample as a raw binary code

//

uint32_t code = pioAi.readCode(AI0, AI_RATE_1_9_SPS);

// The returned code is in offset binary, where 0V is

// 2^23, 12V is 2^23+2^23 = 2^24, and -12V is // 2^23 – 2^23 = 0

//

// In the case of current, the calibration is done is

// firmware, so the returned code is not relevant

// float toVolts = (float) (code – 8388608) * 12.0 / 8388608;

// Or you can do it easier this way, for reading current,

// this is the best way.

// float volts = pioAi.readFloat(AI0, AI_RATE_1_9_SPS);

}

列表 1： 與典型的 PLC 不同的是，Maxim Integrated Pocket IO 等小型網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行用開發(fā)人員熟知的編程語言編寫的代碼，從而使開發(fā)人員能夠快速寫入諸如以上代碼段的簡單程序，以進(jìn)行模擬輸入處理。（代碼來源：Maxim Integrated）

邊緣設(shè)備靈活性

微型 PLC 和其他 IIoT 邊緣設(shè)備起到的作用幾乎不存在于 IoT 應(yīng)用中。在 IoT 中，Wi-Fi 路由器（及專有中心）在很大程度上僅提供外設(shè)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的本地連接。相比之下，IIoT 邊緣設(shè)備還在為外設(shè)設(shè)備提供本地處理發(fā)揮關(guān)鍵作用。

憑借其本地處理能力，邊緣設(shè)備使開發(fā)人員能夠松開工廠車間傳感器與較高級應(yīng)用主機(jī)或基于云的資源之間的緊密耦合。通過在邊緣設(shè)備上運(yùn)行應(yīng)用，開發(fā)人員可以消除往返于云的回路延時。這樣一來，開發(fā)人員就可以實(shí)現(xiàn)更快的控制回路，降低關(guān)鍵設(shè)備及其操作人員旁用戶界面上的報告延時。

將外設(shè)與云斷開的能力若維持了關(guān)鍵業(yè)務(wù)的可用性，將提供更多優(yōu)勢。云服務(wù)供應(yīng)商使用影子設(shè)備等功能維持應(yīng)用的可用性。影子設(shè)備位于云中，是相應(yīng)外設(shè)設(shè)備的模型，用于追蹤其在正常操作期間的狀態(tài)并在云連接失敗時提供設(shè)備展示。

相反，Amazon Web Services (AWS) Greengrass 等服務(wù)允許邊緣設(shè)備提供一些基于云的服務(wù)的本地版本，包括機(jī)器學(xué)習(xí)服務(wù)。因此，較高級的服務(wù)可以在本地繼續(xù)運(yùn)行，盡管云響應(yīng)時間甚至是可用性發(fā)生變化。

在更基礎(chǔ)的層面上，邊緣設(shè)備還可以通過在沒有互聯(lián)網(wǎng)連接或連接欠佳的遠(yuǎn)程位置提供窄帶蜂窩服務(wù)等多樣化選項來提高可用性。要為 IIoT 連接提供有效的無線選項，蜂窩服務(wù)供應(yīng)商將迅速采取行動部署 LTE Cat-M1 和 NB-IoT 之類的窄帶蜂窩服務(wù)。

這些不同版本的 LTE 專門針對 IoT 應(yīng)用設(shè)計，在使用與低功耗實(shí)施一致的更簡單的協(xié)議時，提供充足的吞吐量。PycomG01 和NimbeLinkNL-SW-LTE-SVZM20等蜂窩收發(fā)器模塊實(shí)施這些窄帶 LTE 協(xié)議，以在 IIoT 網(wǎng)關(guān)等主機(jī)系統(tǒng)中提供完整的蜂窩子系統(tǒng)并使用標(biāo)準(zhǔn)串行接口進(jìn)行簡單的硬件集成。

在軟件端，實(shí)施也同樣簡單。開發(fā)人員可以打開蜂窩會話，并使用 Pycom G01 的簡單 MicroPython 命令傳輸數(shù)據(jù)。NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 模塊甚至?xí)峁└唵蔚能浖涌?，其包括通過共享串行鏈接傳輸?shù)膸讉€ AT 命令。因此，工程師不費(fèi)吹灰之力便可在硬件設(shè)計或軟件開發(fā)中向邊緣設(shè)備添加蜂窩連接。

總結(jié)

IoT 和 IIoT 目標(biāo)相同，都是將傳感器數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成有用的信息。但是，對于開發(fā)人員來說，最大的區(qū)別在于基本要求，包括電源、連接性及設(shè)計可靠性和穩(wěn)健性。

如上所述，通過解決針對 IoT 或 IIoT 應(yīng)用的一些獨(dú)特要求，開發(fā)人員仍然能找到各種各樣的解決方案來滿足針對任一領(lǐng)域之應(yīng)用的特定要求。