長距離總線：推動(dòng)此技術(shù)的行業(yè)要求

作者：Sreedharan Bhaskaran，Bridgetek軟件工程總監(jiān)

根據(jù)MarketsAndMarkets公司的研究，預(yù)計(jì)全球物聯(lián)網(wǎng)市場將從2017年的2350億美元增長到2021年的5200億美元，占年復(fù)合增長率的22%。隨著工業(yè)4.0和物流4.0的實(shí)施，預(yù)計(jì)在整個(gè)十年內(nèi)，這種高增長情況將持續(xù)下去——因此，生產(chǎn)力的提高、過程效率的提高、設(shè)備停機(jī)時(shí)間的縮短和勞動(dòng)力的減少都將得以實(shí)現(xiàn)。傳感器和傳感器成本的下降、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的增加和更大的網(wǎng)絡(luò)訪問是有助于加快物聯(lián)網(wǎng)部署活動(dòng)的進(jìn)一步因素。

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一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常由三部分組成，分別是傳感器和執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)，它們再連接到一個(gè)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)則連接到云端。傳感器獲取的數(shù)據(jù)將在網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行整理，并轉(zhuǎn)發(fā)到云端，然后在云端進(jìn)行處理和分析?？刂葡脑屏飨蚓W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)有效地充當(dāng)云與網(wǎng)絡(luò)邊緣的傳感器/執(zhí)行器設(shè)備之間的中繼。一些網(wǎng)關(guān)包含處理功能。這有助于減少所需的數(shù)據(jù)傳輸，因此沒有過度堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。這也意味著實(shí)時(shí)響應(yīng)可以從中受益，從而避免了數(shù)據(jù)必須返回到基于云的系統(tǒng)，然后返回響應(yīng)消息的延遲。這種網(wǎng)關(guān)稱為邊緣處理器。基于云的處理和存儲(chǔ)資源使數(shù)據(jù)能夠被仔細(xì)檢查或顯示在儀表板上。它還可以處理警報(bào)-可以發(fā)送短信，電子郵件或推送通知到相關(guān)設(shè)備，從而采取接下來的動(dòng)作。

部署由傳感器和執(zhí)行器組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并非沒有挑戰(zhàn)。工程師面臨的一些挑戰(zhàn)與傳感器/執(zhí)行器與指定網(wǎng)關(guān)的距離或指定區(qū)域中傳感器/執(zhí)行器的密度有關(guān)。通信基礎(chǔ)設(shè)施的速度、安全性和運(yùn)行可靠性可能帶來其他挑戰(zhàn)。最后，還有網(wǎng)絡(luò)的供電要考慮。距離問題主要通過部署無線傳感器來解決，然而，在工業(yè)環(huán)境中，這并不總是可能的，因?yàn)榛炷梁弯摻ㄖY(jié)構(gòu)會(huì)阻礙和降低信號(hào)強(qiáng)度。以更高的功率水平傳輸將意味著電池耗盡過快（因此增加了相關(guān)的維護(hù)成本，因?yàn)殡姵匦枰l繁地更換）。此外，來自其他設(shè)備的EMI噪聲可以影響無線通信的有效性，并且這種傳輸相對容易被第三方窺探。因此，在工業(yè)環(huán)境中，采用有線解決方案通常更為合適。

為了解決上述問題，Bridgetek研發(fā)了長距離傳感器總線（LDSBus）。這是一個(gè)供電和差分串行總線，有效傳輸距離達(dá)200米。主機(jī)單元通過總線將電源分配給連接到總線的所有外圍傳感器/執(zhí)行器單元。總線的供電電壓為24伏，一個(gè)主機(jī)單元管理和監(jiān)督從機(jī)單元，稱為LDSBus單元（LDSUs）。傳感器和致動(dòng)器可連接至總線并由主機(jī)控制。總線以230kbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，并提供足夠的帶寬來控制總線上多達(dá)127個(gè)LDSU。

LDSBus架構(gòu)允許LDSU包含多達(dá)10個(gè)傳感器和/或執(zhí)行器。Bridgetek已經(jīng)為客戶開發(fā)了LDSU傳感器和執(zhí)行器。這些是：

·4合1傳感器，集成溫度、濕度、環(huán)境光和運(yùn)動(dòng)傳感功能，所有這些功能都封裝在緊湊的外形中。

·室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）傳感器，用于測量和監(jiān)測建筑物、工作區(qū)和工業(yè)場地內(nèi)的空氣質(zhì)量水平。

·基于熱電偶的溫度傳感器，能夠監(jiān)測極端溫度（高達(dá)1372°C）

·用于光合作用過程監(jiān)測（在智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用中）或用于監(jiān)測員工工作環(huán)境（在日常工作環(huán)境檢測應(yīng)用中）的二氧化碳?xì)怏w傳感器。

·用于檢測壓力變化的壓力傳感傳感器。

·土壤濕度、pH值和電導(dǎo)率測量傳感器，用于監(jiān)測精確的營養(yǎng)狀況，以獲得最佳作物產(chǎn)量（同樣，與智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)）。

Bridgetek還開發(fā)了可用于LDSBU的其他形式的硬件。這些項(xiàng)目包括：

·用于控制/調(diào)光照明的LED后沿調(diào)光器

·用于泵和電機(jī)控制的開/關(guān)繼電器。

·用于控制紅外設(shè)備的紅外控制器。

總線主干中的LDSU連接點(diǎn)是通過將高壓T形接頭插入總線段來創(chuàng)建的。每個(gè)接頭都由一個(gè)上行和下行RJ-45連接器組成，用于擴(kuò)展24V主干。該主干網(wǎng)由Cat5E電纜構(gòu)成。4個(gè)RJ11/RJ12連接器的陣列可連接多達(dá)4個(gè)LDSU。高壓T型接頭將24V電源轉(zhuǎn)換為適合LDSU的5V電源。總線上的最后一個(gè)LDSU（離主機(jī)最遠(yuǎn)的LDSU）必須啟用其總線終端以保持穩(wěn)定的通信。

Bridgetek LDSBus的供電無需電池，因此節(jié)省了更換電池的相關(guān)勞動(dòng)力。傳輸?shù)牟罘痔匦源_保了高共模噪聲抑制（這可以緩解EMI問題），而總線的有線特性意味著“中間人”無線監(jiān)聽不再是一個(gè)問題。三個(gè)總線（每個(gè)總線半徑200米）可以覆蓋12個(gè)足球場。LDSBU可以包含多達(dá)381個(gè)LDSU（或3810個(gè)傳感器和執(zhí)行器），因此可以實(shí)現(xiàn)高節(jié)點(diǎn)密度。

為了支持所涉及的硬件，Bridgetek提供了一個(gè)稱為LDSU編程實(shí)用程序的軟件實(shí)用程序。這可以編程LDSU地址、名稱和終端。Python腳本和Bridgetek LDSBus庫的示例演示了如何在Windows、Linux或Raspberry-Pi上實(shí)現(xiàn)LDSBus源單元（主端）。