工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)浪潮下的嵌入式系統(tǒng)

作者 / 王瑩 王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)浪潮洶涌而至迫使嵌入式系統(tǒng)開始進(jìn)行深刻變革，芯片公司之間的并購與重組加劇，產(chǎn)品趨于平臺化，芯片不斷集成更多功能，同時(shí)注重軟件、云與服務(wù)等。為此，本媒體特別邀請業(yè)內(nèi)部分代表廠商就未來嵌入式芯片在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)浪潮下的發(fā)展進(jìn)行了深入探討。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展趨勢

　　如果往今后來看，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上很重要的一個(gè)趨勢就是智能化，也可以說人工智能技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域里應(yīng)用會越來越廣泛。第一個(gè)原因是視頻、監(jiān)控或者跟視頻相關(guān)的應(yīng)用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量比例確實(shí)很大，在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)里超過50%以上的數(shù)據(jù)都是跟視頻相關(guān)的非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對它的處理是業(yè)界的一個(gè)挑戰(zhàn)，以前大家很可能都是用肉眼去看，所采集到的視頻從里面發(fā)現(xiàn)異常的東西，但效率很低。

　　我們現(xiàn)在看到越來越多的公司開始把智能化的方法、算法、技術(shù)用到這個(gè)領(lǐng)域里，其中人工智能就是非常重要的一個(gè)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)開始在這個(gè)領(lǐng)域得到嘗試或進(jìn)行部署。就未來發(fā)展趨勢而言，人工智能技術(shù)會大大幫助視頻分析，能夠從中更準(zhǔn)確、更迅速地提取人們所感興趣的信息。這個(gè)判斷實(shí)際上與英特爾對整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的趨勢判斷是一致的，因?yàn)橛⑻貭栒J(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)不管是什么樣的行業(yè)，它總的發(fā)展趨勢都會沿著互聯(lián)、智能、自治這三個(gè)階段走，在自治階段體現(xiàn)的就是各種人工智能的技術(shù)來使整個(gè)系統(tǒng)更加智能，能更好、更自主化地進(jìn)行管理?，F(xiàn)在看到整個(gè)安防行業(yè)實(shí)際上就是按照這樣的趨勢在進(jìn)行發(fā)展演進(jìn)的。

IIoT要求MCU更高的運(yùn)算能力和安全性

　　工業(yè)自動化應(yīng)用由來已久。隨著微控制器、無線連接、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，這些自動化生產(chǎn)、檢測、運(yùn)輸設(shè)備開始具備更多的感知能力(包括圖像識別和各種目標(biāo)數(shù)據(jù))、更強(qiáng)的處理能力和更靈活的網(wǎng)絡(luò)連接能力，使得工業(yè)4.0和工業(yè)機(jī)器人等應(yīng)用得到極大的發(fā)展和演化。

　　就這些應(yīng)用及其發(fā)展趨勢看，其核心部件MCU需要具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集和處理能力、更高的安全性和可靠性、強(qiáng)大而靈活的無線連接能力以及能自適應(yīng)的靈活設(shè)計(jì)能力。這些設(shè)備除了接受和處理傳統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行過程中的各種模擬和數(shù)字信息外，更要處理圖像、視頻和音頻數(shù)據(jù)，因而強(qiáng)大的運(yùn)算能力必不可少。隨著數(shù)據(jù)量的增加，傳統(tǒng)的窄帶寬無線連接也開始需要結(jié)合更高吞吐率的無線或有線連接一起應(yīng)用。另外，數(shù)據(jù)的加密、系統(tǒng)的安全可靠性也對工業(yè)設(shè)備至關(guān)重要。

　　Cypress針對IoT的PSoC 6 MCU系列

　　Cypress最新推出的PSoC 6 MCU系列是專門為IoT應(yīng)用打造的微控制器系列產(chǎn)品。它基于高度創(chuàng)新的MCU開發(fā)平臺，具有高性能雙核架構(gòu)和全面的硬件加密技術(shù)。同時(shí)，PSoC 6 MCU繼承了PSoC系列的高度靈活性，可以為不同的IoT應(yīng)用提供各種數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制、無線連接以及傳輸功能。結(jié)合Cypress免費(fèi)的IDE工具PSoC Creator和軟件開發(fā)套件PDL，用戶能夠在PSoC 6這樣一個(gè)復(fù)雜而功能強(qiáng)大的MCU系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)快速和輕松的開發(fā)。PSoC 6 MCU是一個(gè)完整的針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的微控制器系列，包括入門級PSoC 60、可編程系列PSoC 61、高性能系列PSoC 62、無線連接系列PSoC 63以及電機(jī)控制系列PSoC 65。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，PSoC 6 MCU結(jié)合本公司高性能無線連接方案(Wi-Fi、BT和Combo)和有線連接方案(USB-C)以及強(qiáng)大而成熟的電機(jī)控制軟件方案，已成為備受關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)MCU解決方案。

MCU助傳統(tǒng)硬件升級為智能硬件

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將會是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要推動力之一，也會是物聯(lián)網(wǎng)最先落地的應(yīng)用之一。STM32在原有的工業(yè)市場有很好的基礎(chǔ)，在其上發(fā)展加入更多的聯(lián)接與云端的服務(wù)具有很大的市場成長空間

　　在相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)中，MCU可以說是一個(gè)智能的控制單元或者是控制中樞。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高度碎片化的特性市場，分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的MCU使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)更為智能，配合不同的傳感器和互聯(lián)協(xié)議，把傳統(tǒng)的硬件升級為智能硬件。

　　STM32繼續(xù)強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)安全

　　STM32作為意法半導(dǎo)體(ST)重要的MCU產(chǎn)品系列，其擁有廣闊的產(chǎn)品目錄、品質(zhì)、靈活性，豐富的生態(tài)系統(tǒng)，原廠資源+合作伙伴。同時(shí)致力于IoT嵌入式智能硬件市場成長，特別關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)安全。ST在安全領(lǐng)域有著多年積累和沉淀。STM32提供強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)包含安全模塊，經(jīng)過CAVP FIPS認(rèn)證的STM32密碼算法庫和安全固件安裝/升級方案。同時(shí)ST還提供種類豐富的安全產(chǎn)品選擇內(nèi)置安全功能的微控制器和Secure Element 作為輔助芯片(經(jīng)過CC認(rèn)證)。

IIoT系統(tǒng)要求多協(xié)議、多架構(gòu)間的互操作性

　　工業(yè)4.0利用廣泛的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能工廠。IIoT利用無線和有線網(wǎng)絡(luò)、傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器對機(jī)器(M2M)通信、機(jī)器學(xué)習(xí)和基于云的分析來實(shí)現(xiàn)制造過程的自動化。IIoT背后的理念是智能機(jī)器在采集和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)比人類更快速、更準(zhǔn)確和更一致。IIoT在質(zhì)量控制改進(jìn)、可持續(xù)、綠色實(shí)踐以及整個(gè)供應(yīng)鏈效率方面擁有巨大潛力。考慮到IIoT系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，使用不同協(xié)議和架構(gòu)的設(shè)備和機(jī)器之間的互操作性是IIoT系統(tǒng)開發(fā)人員所主要顧慮的問題。像工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium ，IIC)這樣的標(biāo)準(zhǔn)組織正在通過推動開放的互操作性和通用架構(gòu)的開發(fā)來解決這些問題。

　　應(yīng)用于IIoT的Wireless Gecko SoC平臺

　　Silicon Labs的Wireless Gecko SoC為IIoT應(yīng)用提供了大量的連接選擇，包括能夠在2.4GHz和Sub-GHz頻率上運(yùn)行Thread、zigbee、Bluetooth Low Energy、Bluetooth Mesh和許多專有協(xié)議，所有這些功能都可以在同一個(gè)無線SoC器件上實(shí)現(xiàn)。這些SoC也支持多協(xié)議運(yùn)行，允許一臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)于不同協(xié)議之間的動態(tài)切換，從而給予應(yīng)用開發(fā)人員極大的自由度去設(shè)計(jì)具有良好互操作性和連接性的設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)邊緣處理需要安全的MCU

　　東芝半導(dǎo)體認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)中負(fù)責(zé)邊緣處理的設(shè)備中(例如傳感數(shù)據(jù)處理)肯定需要用到MCU，而東芝的MCU能有效地在傳感技術(shù)中應(yīng)用。某種程度上來說對智能系統(tǒng)架構(gòu)而言，首先考慮搭載MCU的系統(tǒng)并加上傳感技術(shù)和連接技術(shù)。因此，為了能確保包括邊緣處理的MCU本身安全性和通信系統(tǒng)安全性，東芝認(rèn)為產(chǎn)品和軟件的嵌入式軟件技術(shù)是必要的。為了支持物聯(lián)網(wǎng)中負(fù)責(zé)邊緣處理的設(shè)備產(chǎn)品開發(fā)的快速啟動，東芝正在推進(jìn)Arm mbed相關(guān)的工作，同時(shí)將來會提供面向物聯(lián)網(wǎng)市場的方案。

新的處理器要兼顧人工智能等應(yīng)用

　　物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)在也開始支持AI功能，例如智能音箱等。實(shí)際上，AI是非常熱的一個(gè)話題和應(yīng)用。近日，NXP宣布“跨界處理器”i.MX RT上市，基于ARM Cortex-M7內(nèi)核，號稱樹立微控制器(MCU)實(shí)時(shí)性能的高水準(zhǔn)，達(dá)到3020 CoreMark得分和1284DMIPS，并可在600 MHz時(shí)提供20納秒的中斷延遲。當(dāng)然，這款處理器也考慮到了人工智能(AI)等應(yīng)用。

　　NXP在定義和設(shè)計(jì)i.MX RT時(shí)就有考慮這方面的考慮。例如AI需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理的速度和性能，因此，NXP把Cortex-M7提高到600MHz性能，這樣能保證足夠高性能的處理。另外，片內(nèi)大容量的內(nèi)存也支持AI所需要的各種算法和數(shù)據(jù)處理。再有，做AI不可或缺的是人機(jī)界面(HMI)，需要有攝像頭、顯示屏、觸摸屏的控制等，那么這款新處理器把這些接口都在片內(nèi)集成。對于AI，還有一個(gè)非常重要的處理性能就是對于運(yùn)動的控制，也稱馬達(dá)控制，i.MX RT同樣集成了非常強(qiáng)大和豐富的馬達(dá)控制外設(shè)，包括多通道的Flex PWM，同時(shí)也有正交編碼的接口和高精度的ADC，這樣就保證了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、多馬達(dá)的運(yùn)動控制。

人工智能在安防領(lǐng)域潛力巨大

　　人工智能和深度學(xué)習(xí)在安防領(lǐng)域用途廣大，例如小區(qū)要識別進(jìn)出的人哪些是住戶、快遞員，進(jìn)行車牌識別等，且需要低功耗設(shè)備。因此專用的AI和深度學(xué)習(xí)處理模塊十分重要。

　　今天安防是AI的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。有人認(rèn)為安防行業(yè)不好做，因?yàn)榍坝腥A為海康，后端也有幾家大廠商壟斷，還有商湯、地平線等算法公司,但安防目前還有很大潛力可挖，因?yàn)閳鼍盎苤匾卜揽赡茚槍Τ鞘?、小區(qū)、樓宇等，因此算法也不盡相同，需要不同的研發(fā)方向。

　　因此，安防領(lǐng)域的AI需要ASIC/SoC、模塊、軟件、系統(tǒng)以及像?？?、華為等的全產(chǎn)品解決方案。

面向安防的多場景智能服務(wù)方案

　　隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，安防多個(gè)領(lǐng)域都對智能化的解決方案提出迫切需求，而人工智能成為了契合需求的重要技術(shù)方式。 安防領(lǐng)域有兩大瓶頸：1.GPU價(jià)格較高;2.一些地方盡管有了高清攝像頭，但由于網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬不夠，因此高清視頻無法有效回傳到服務(wù)器，迫切需要在端/邊緣就解決視頻分析功能。促使深鑒在此研發(fā)。

　　目前深鑒先后突破了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮、海量數(shù)據(jù)特征提取、視頻結(jié)構(gòu)化等方面的相關(guān)難點(diǎn)。近日公布的視頻結(jié)構(gòu)化解決方案、人臉分析解決方案、人臉檢測識別模組、ARISTOTLE架構(gòu)平臺四款解決方案正是將算法級模型壓縮、軟件級工具鏈和處理器級體系結(jié)構(gòu)等技術(shù)，通過軟件開發(fā)與硬件設(shè)計(jì)落地轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。集成基于深度學(xué)習(xí)的智能算法，實(shí)現(xiàn)前后端多路人臉、車輛檢測與識別，實(shí)時(shí)提取視頻結(jié)構(gòu)化信息等產(chǎn)品功能。應(yīng)對多種場景下的應(yīng)用需求，加速安防產(chǎn)業(yè)升級換代。

　　而產(chǎn)品DNNDK? (Deep Neural Network Development Kit)則是深鑒科技面向AI異構(gòu)計(jì)算平臺DPU(Deep-Learning Processor Unit，深度學(xué)習(xí)專用處理器)自主研發(fā)的國內(nèi)首款原創(chuàng)深度學(xué)習(xí)開發(fā)SDK。DNNDK能極大降低DPU平臺深度學(xué)習(xí)應(yīng)用開發(fā)門檻和部署難度，并大大縮短算法部署到硬件的周期，提速AI產(chǎn)品研發(fā)過程。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第20頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。