從無(wú)線鏈路到微控制器，透析物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展促生了物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0，整個(gè)世界仿佛在頃刻之間變得互通互聯(lián)。數(shù)萬(wàn)億的感應(yīng)器被裝配在數(shù)十億的控制器和數(shù)百萬(wàn)的網(wǎng)關(guān)之上，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至地球的各個(gè)角落。這樣的趨勢(shì)凸顯了傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)的不便攜性和不靈活性，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接網(wǎng)絡(luò)與高效率數(shù)據(jù)運(yùn)算處理來(lái)提升工業(yè)系統(tǒng)作業(yè)效率以及增加工業(yè)生產(chǎn)的附加價(jià)值是勢(shì)在必行。而這種轉(zhuǎn)型依賴于一系列技術(shù)，從低功率無(wú)線協(xié)議到高性能微控制器，不一而足。

低功率的無(wú)線鏈路和微控制器

在這些技術(shù)中，低功率的無(wú)線鏈路和微控制器將作為整個(gè)鏈路的核心，起到至關(guān)重要的作用。舉例來(lái)說(shuō)，Silicon Labs最新推出了一款Gecko微控制器，采用的便是這種低功耗模式——在接收感應(yīng)器發(fā)出的信號(hào)之后，控制器才會(huì)相應(yīng)地啟動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。這些微控制器使用3.6V的電池可以作業(yè)10到20年，能夠應(yīng)用到智能電網(wǎng)電力輸配以及感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。由于功耗極低，這些設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)可以通過(guò)太陽(yáng)能電池，甚至是周圍環(huán)境中的射頻或熱能來(lái)提供能源，無(wú)需再使用電池或者電源線。

與此同時(shí)，這些設(shè)備還需要依賴于物聯(lián)網(wǎng)所采用的各種協(xié)議。2.4GHz ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于M2M(機(jī)器到機(jī)器)領(lǐng)域，使得增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、鏈接至網(wǎng)管設(shè)備變得十分便捷，最新版本的ZigBee IP已經(jīng)升級(jí)到了IPv6標(biāo)準(zhǔn)，并支持從網(wǎng)絡(luò)上直接接入感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)，從而令使用者可以控制更多的設(shè)備。

軟件的力量

軟件是物聯(lián)網(wǎng)的另一個(gè)關(guān)鍵元素，Wind River已經(jīng)以因特爾架構(gòu)處理器為基礎(chǔ)，開發(fā)出了一個(gè)完整的軟件開發(fā)環(huán)境，為用戶提供即開即用型元件，以確保物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的安全、互聯(lián)，并在統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行管理。該軟件增加了網(wǎng)管安全以及Lua、Java和OSGi的應(yīng)用場(chǎng)景，以支持資源受限設(shè)備及全功能設(shè)備的便攜性、擴(kuò)展性和重復(fù)利用性應(yīng)用的開發(fā)，同時(shí)也對(duì)WiFi、藍(lán)牙、ZigBee以及其他進(jìn)程無(wú)線協(xié)議提供支持。

與此同時(shí)，其他半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)與軟件供應(yīng)商攜手，為用戶提供完整的泛物聯(lián)網(wǎng)解決方案：飛思卡爾半導(dǎo)體公司已經(jīng)與ARM和甲骨文共同研發(fā)出了一個(gè)安全的“one box ”平臺(tái)，該平臺(tái)結(jié)合了端到端軟件以及分層智能網(wǎng)關(guān)，為安全的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供和管理，創(chuàng)造了一個(gè)公用的開放的框架。 同時(shí)三家公司還合作，對(duì)ARM mbed項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)的開發(fā)進(jìn)行簡(jiǎn)化。這將使得ARM mbed中的本機(jī)硬件抽象層(HAL)，能夠在以ARM為基礎(chǔ)的飛思卡爾Kinetis微控制器上運(yùn)行甲骨文Java ME Embedded軟件。

云計(jì)算也可以用于對(duì)此類感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行支持。遠(yuǎn)程訪問軟件公司LogMeIn 的子公司Xively已經(jīng)為商用物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)出了首款公有云平臺(tái)，該公司目前正與Linear Technology合作，加速推出超低功耗云聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。通過(guò)將Linear推出的Dust Networks無(wú)線感應(yīng)器與 Xively旗下的云服務(wù)進(jìn)行集成，該公司可以為開發(fā)人員以及原始設(shè)備制造商提供一個(gè)高性價(jià)比的端到端物聯(lián)網(wǎng)解決方案，通過(guò)大規(guī)模的商業(yè)部署及管理可以用于早期的原型設(shè)計(jì)及確認(rèn)。

ARM Cortex-M3無(wú)線感應(yīng)器是為IP兼容性而開發(fā)的，采用的是6LoWPAN以及802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以提供99.999%以上的數(shù)據(jù)可靠性以及10年以上的電池壽命，使得在最極端的環(huán)境下部署無(wú)線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)成為可能。一個(gè)入門工具包包括應(yīng)用代碼示例，Xively注冊(cè)用戶可以使用這一代碼將DC9000設(shè)備與聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，幫助IP感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)注冊(cè)為Xively“產(chǎn)品”;而節(jié)點(diǎn)及感應(yīng)器，可以作為“設(shè)備”將數(shù)據(jù)安全地發(fā)送至用戶的Xively云端。

新技術(shù)的興起

還有一些領(lǐng)域的發(fā)展正在“風(fēng)生水起”：低功率的WiFi目前已經(jīng)開始使用低數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)快速發(fā)送技術(shù)，從而大大延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)通過(guò)大規(guī)模出貨的方式降低了成本。與此同時(shí)，藍(lán)牙4.0最新標(biāo)準(zhǔn)版中的Bluetooth Low Energy (LE) 應(yīng)用同樣支持超低功耗網(wǎng)絡(luò)連接，其已經(jīng)在增加消費(fèi)電子銷量、降低成本等方面顯現(xiàn)成果，而在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方面，人們的興趣也是日益濃厚。

這種濃厚的興趣還推動(dòng)了許多新技術(shù)的誕生，例如針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專門研發(fā)的Weightless協(xié)議。所有感應(yīng)器和控制器都需要連接至網(wǎng)關(guān)，而大型芯片公司都準(zhǔn)備迎戰(zhàn)這一市場(chǎng)。德州儀器將MAC及以太網(wǎng)物理接口集成到了以ARM為基礎(chǔ)的微控制器上，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。德州儀器最新的設(shè)備是首款搭載以太 MAC+PHY以及芯載數(shù)據(jù)保護(hù)及LCD控制器的ARM Cortex-M4控制器，可以顯著節(jié)省主板空間并為聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用——例如家用/建筑自動(dòng)網(wǎng)關(guān)、聯(lián)網(wǎng)人機(jī)交互界面(HMI)、網(wǎng)絡(luò)感應(yīng)器網(wǎng)關(guān)、安全接入系統(tǒng)及可編程邏輯控制器等——提供支持。集成式CAN及USB提供了高速聯(lián)網(wǎng)性能，使得無(wú)縫網(wǎng)關(guān)解決方案的創(chuàng)建成為可能， 同時(shí)通過(guò)10個(gè)I2C端口、2個(gè)快速而準(zhǔn)確的12-bit 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、兩個(gè)正交編碼器借口、三個(gè)芯載比較器、外部接口以及先進(jìn)的脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)輸出接口，推動(dòng)了照明、感應(yīng)、動(dòng)作、現(xiàn)實(shí)及切換用傳感器的聚合。

在工業(yè)4.0時(shí)代，電子元件商不僅僅要抓住機(jī)遇，更要預(yù)知機(jī)遇。以上提及方面凸顯了一些物聯(lián)網(wǎng)背后的發(fā)展趨勢(shì)：越來(lái)越具兼容性和支持多種協(xié)議的感應(yīng)器及設(shè)備正在被大量需求，同時(shí)，軟件環(huán)境、端到端部署及應(yīng)用開發(fā)也正顯現(xiàn)自己的一席之地。這種趨勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步刺激其研發(fā)及出貨量的增長(zhǎng)，同時(shí)降低成本。想要追趕工業(yè)4.0“洪流”的企業(yè)應(yīng)當(dāng)多加留意。