工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案及發(fā)展大潮

適用于IIoT的邊緣計算設(shè)備

　　IIoT的一個重要趨勢是越來越多的廠商注意到了邊緣的重要性。在以前的IIoT結(jié)構(gòu)中，IT端通常扮演著更為重要的角色，所有的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)決策都在云端完成，而設(shè)備端只是用來收集數(shù)據(jù)。因此，以往的IIoT架構(gòu)對設(shè)備端并沒有特別高的要求。但對于工業(yè)設(shè)備而言，很多數(shù)據(jù)的分析和處理都具有實時性、低延遲的要求，例如協(xié)同、控制等時間敏感的信號，而數(shù)據(jù)與云端通信的低傳輸速度與帶寬限制，是無法支持這些實時性的要求的。

　　因此，“邊緣計算”的概念應運而生。邊緣計算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務。需要強調(diào)的是，真正適用于IIoT的“邊緣計算”設(shè)備并不僅僅是傳統(tǒng)的控制器或者網(wǎng)關(guān)，而是需要滿足3個必備能力：采集邊緣數(shù)據(jù)、智能的運算能力和可操作的決策反饋。

　　邊緣計算將運算分散在靠近數(shù)據(jù)源的近端設(shè)備處理，分擔云平臺的工作量，具有更高的實時性、效率以及更低的延遲，隨著汽車、工廠資產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備、機器人等工業(yè)設(shè)備連接數(shù)量的指數(shù)型增長，將會有越來越多的工業(yè)應用采用邊緣計算。在未來，邊緣計算將與云計算互相協(xié)同，共同助力各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

　　NI的IIoT解決方案

　　到目前為止，NI已經(jīng)聯(lián)合生態(tài)系統(tǒng)，推出了從設(shè)備端到?jīng)Q策端的完整的IIoT解決方案。該方案解決了邊緣計算最關(guān)鍵的兩個技術(shù)要點：高性能的邊緣節(jié)點和專業(yè)的數(shù)據(jù)管理。

　　首先，NI為工程師提供高性能的數(shù)據(jù)采集硬件平臺，擔任設(shè)備端邊緣節(jié)點，可以同時完成對設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)收集與在線預處理。

　　其次，在數(shù)據(jù)管理方面，NI也推出了一系列專用的軟件產(chǎn)品，包括企業(yè)級狀態(tài)監(jiān)測軟件InsightCM，分布式系統(tǒng)集中管理軟件SystemLink，海量數(shù)據(jù)管理及分析套件Diadem，以及在2017年新推出的LabVIEW機器學習工具包，能夠在邊緣側(cè)或云端提供專用于垂直工業(yè)領(lǐng)域的集中化數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)挖掘。同時，NI還大力投入機器學習領(lǐng)域，將人工智能這一熱點技術(shù)應用到IIoT中，通過對邊緣節(jié)點收集到的設(shè)備信息進行模型訓練和驗證，實現(xiàn)預測性維護的優(yōu)化商業(yè)決策，真正實現(xiàn)IT+OT的技術(shù)融合。

　　此外，對于IIoT的快速發(fā)展，NI一直在關(guān)注新的技術(shù)趨勢，并不斷做出創(chuàng)新。

無線與互聯(lián)

無線連接技術(shù)將重塑工業(yè)應用

　　無線連接技術(shù)正在重塑許多工業(yè)應用，例如在過去是非常難以實現(xiàn)或是實現(xiàn)成本很高的連續(xù)監(jiān)測傳感器;像zigbee這樣的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡在這些IIoT應用中做很多化繁為簡的工作。一個很好的案例是綠色能源市場，目前許多國家正在將人工抄表電表升級為可持續(xù)讀取計量值的自動電表。智能表計使得發(fā)電廠的操作員有能力去分析數(shù)據(jù)，并且在某些情況下還能控制整個電網(wǎng)的能耗，支持他們?nèi)?yōu)化電力生產(chǎn)以使其更加可靠和高效，同時為終端客戶降低用電成本。

　　僅依靠無線連接還不足以從工藝流程或環(huán)境中提取有價值的數(shù)據(jù)。當然，傳感器是必不可少的，Silicon Labs為工業(yè)應用提供一系列高精度的溫度、濕度、光學和磁性傳感器。終端節(jié)點上的無線微控制器也是一個關(guān)鍵組件。并不是所有的傳感器部署位置都有可用的電源，且通常的無線終端節(jié)點都采用電池供電，也有可能利用能量采集來對電池進行充電。終端節(jié)點的功能現(xiàn)在是至關(guān)重要的，因為在許多情況下，傳感器數(shù)據(jù)必須在終端節(jié)點上執(zhí)行操作以提取有價值的信息，來盡可能減少無線傳輸數(shù)據(jù)的大小和頻率。這種邊緣計算方式對于節(jié)約能量至關(guān)重要，且在終端節(jié)點可根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)直接與其環(huán)境進行交互的這種情況中也很重要。該功能可以使響應時間大大縮短，而不是終端節(jié)點首先必須向中央服務器報告，然后接受一個命令后才在一個時間關(guān)鍵的工藝流程中執(zhí)行該命令。

　　Silicon Labs無線解決方案

　　終端節(jié)點上的無線微控制器必須具備多種特性才能以更好的方式工作。其中，無線連接是一個重要的基石，因為它是無線傳感器的主要保障者之一。Silicon Labs為其無線微控制器提供了zigbee、Thread、Bluetooth 5.0、Bluetooth mesh、Wi-Fi和一個強壯的專有無線協(xié)議平臺，來支持任何無線通信場景，并提供各種有線連接選項，包括CAN、以太網(wǎng)和以太網(wǎng)供電(PoE)。另外，Silicon Labs也提供多協(xié)議無線解決方案及專門用于支持測量傳感器的硬件。

傳感器網(wǎng)絡普及使諸多物聯(lián)網(wǎng)應用成為可能

　　Molex工業(yè)解決方案業(yè)務部業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Linda Shan認為，在IIoT領(lǐng)域，包括有線和無線在內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模普及正在使數(shù)諸多應用成為可能。例如，這類傳感器網(wǎng)絡在人機接口(HMI)方面促進了智能手機的使用，可以監(jiān)控并控制各種工業(yè)過程。典型情況是智能手機中可以整合十幾種，乃至更多種傳感器，以及多種無線電天線及其相關(guān)的天線。

　　在今后幾年內(nèi)，相信這一趨勢很可能繼續(xù)保持下去，而IIoT及工業(yè) 4.0 的發(fā)展將為行業(yè)帶來挑戰(zhàn)，需要部署具有移動性、微型化并且接入網(wǎng)狀網(wǎng)絡、采用了超低功率無線技術(shù)的各種“智能”設(shè)備。這類設(shè)備的設(shè)計將滿足工業(yè)過程優(yōu)化所提出的復雜挑戰(zhàn)，并且以高效的 HMI 來推動一系列應用的發(fā)展。

　　高速的低延遲通信對于IIoT的功能將發(fā)揮至關(guān)重要的作用，尤其在于，海量的數(shù)據(jù)都將需要存儲到數(shù)據(jù)中心，在采用飛速發(fā)展的數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的各種工具的情況下，接受一定的分析。

　　預計在 2018 年也將迎來一系列整合到IIoT中的新應用，其中就包括機器學習和人工智能(AI)。

　　IIoT 所尋求的是改善效率、提高靈活性并加快上市速度，而這些都是通過將智能設(shè)備整合到 IIoT 中來實現(xiàn)的。其中的一個范例就是通過遠程狀態(tài)監(jiān)測及預測性維護來優(yōu)化系統(tǒng)的可用性。這樣可以使機器和系統(tǒng)的構(gòu)建商為制造業(yè)的客戶帶來附加值，并且對他們的傳統(tǒng)商業(yè)模式重新進行思考。

　　Molex的IIoT解決方案

　　對于IIoT基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部基于傳感器的通信所使用的智能手機和其他移動設(shè)備，Molex 提供種類齊全的連接器系統(tǒng)與天線產(chǎn)品。產(chǎn)品陣容包括小體積的板對板和柔性印刷電路(FPC)互連系統(tǒng)，以及用于I/O、攝像頭插槽、內(nèi)存和SIM卡以及天線應用的定制連接器與工業(yè)標準連接器。

　　印刷電子學現(xiàn)在正在為傳感器部署提供突破性的解決方案，而Molex的Soligie印刷型電子元件具有在塑料、紙張和金屬箔之類柔性基板上制作各種元件和互連系統(tǒng)的全部優(yōu)勢。

　　同時，Molex 還提供一系列適用于IIoT和M2M應用的標準天線。這些產(chǎn)品可以快速部署，加快上市速度。當前的Molex標準天線選擇設(shè)計用于ISM和手機頻段的M2M通信，以及運行Wi-Fi?和移動電視的應用。為了提高HMI的效率，在整合及組合了多種開關(guān)格式與布局的設(shè)計當中，Molex還提供包括液位傳感器在內(nèi)的多種電容式觸控傳感器。

使用NB-IoT或Cat-M的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

　　儒卓力每年為全球35000多個客戶提供支持，因此，在即將到來的各種IIoT趨勢中占據(jù)一定的地位。通過互聯(lián)網(wǎng)使得工業(yè)物件能夠相互溝通的其中一個趨勢就是將新的窄帶技術(shù)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(NB-IoT)或LTE的分類M(Cat-M)，視不同區(qū)域而定。這種新的無線技術(shù)允許設(shè)備直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，而無需通過智能手機、路由器或網(wǎng)關(guān)，與標準GSM、UMTS或LTE模塊的區(qū)別在于功耗要低得多。

　　使用NB-IoT或Cat-M的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以使用電池運行長達10年。在過去3年中，Sigfox、LoRa和其他一些遠程技術(shù)被炒作，但在大部分的應用中，這些遠程技術(shù)都將被替換。IIoT的另一個大趨勢是歐洲數(shù)據(jù)保護法規(guī)(EU-GDPR)新框架的要求，特別是關(guān)于第25條和第32條。這對所有希望在歐洲市場推出新產(chǎn)品的客戶都很重要。他們必須對產(chǎn)品進行重新設(shè)計，并且使用先進的組件和技術(shù)來保障所有個人數(shù)據(jù)的安全，個人數(shù)據(jù)意味著99%的所有可用數(shù)據(jù)。

　　另一個大趨勢是邊緣智能，在前端微控制器中將實現(xiàn)人工智能算法的轉(zhuǎn)變。在沒有基于云的集中式系統(tǒng)的情況下，這是保障IP和算法，并創(chuàng)造出具有獨特功能的真正獨特產(chǎn)品的唯一機會。

　　儒卓力提供來自不同供應商的第一代可用NB-IoT和Cat-M模塊和芯片，客戶可以選擇家庭概念和個人解決方案。另外，關(guān)于EU-GDPR，儒卓力已經(jīng)建立了一個技術(shù)團隊，集中了來自不同產(chǎn)品類別的專家，讓他們專注于應對GDPR問題。在拜訪客戶時，該技術(shù)團隊支持銷售團隊，討論這項新法規(guī)的不同方面，以及我們應對任何數(shù)據(jù)泄漏的解決方案。

　　參考文獻：

　　[1]王曦.物聯(lián)網(wǎng)時代的傳感器和材料創(chuàng)新[J].電子產(chǎn)品世界,2016(1):27-29.

　　[2]李龍.新工業(yè)時代下中國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電子產(chǎn)品世界,2016(2-3):9-12.

　　[3]Martha Zemede.無線技術(shù)和電子自動化設(shè)計軟件的發(fā)展將打造物聯(lián)網(wǎng)美好未來[J].電子產(chǎn)品世界,2016(5):12-14.

　　[4]王瑩,王金旺.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)浪潮下的嵌入式系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品世界,2017(11):20-22.

　　[5]Tom Pannell.物聯(lián)網(wǎng)中的多協(xié)議、多頻段連接的案例[J].電子產(chǎn)品世界,2017(11):31-33.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第9頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。