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

作者 / 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要：以第四次工業(yè)革命為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)正在發(fā)生。感知、測(cè)量、解讀、工業(yè)通信、網(wǎng)絡(luò)安全和邊緣計(jì)算(從簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)優(yōu)化到機(jī)器學(xué)習(xí))等都將圍繞IoT與IT的大融合而發(fā)生演化或變革。

高效與安全

利用IIoT技術(shù)提供更高效的解決方案

　　人們希望利用IIoT技術(shù)能提供更智能和高效的解決方案來(lái)解決過(guò)去需要花費(fèi)很多人力物力的問(wèn)題。例如工廠設(shè)備的健康檢測(cè)、物品運(yùn)輸過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控等。在所有這些應(yīng)用中，都希望能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，并通過(guò)無(wú)線或有線的方式進(jìn)行快速和可靠的傳輸，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及實(shí)時(shí)采取措施;因此都缺不了高精度的傳感器和相應(yīng)的采樣調(diào)理電路、可靠的數(shù)據(jù)連接及數(shù)據(jù)分析能力。

　　ADI的IIoT產(chǎn)品方案

　　ADI的IIoT產(chǎn)品涵蓋感知、測(cè)量、解讀、連接和數(shù)據(jù)分析的各方面。

　　以連接為例，ADI提供2.4 GHz頻段的Mesh IP網(wǎng)絡(luò)，即Dust Network。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在2.4 GHz ISM頻段上實(shí)現(xiàn)了99.999%的高可靠性，并且功耗很低(一節(jié)紐扣電池可以用10年)。適用于對(duì)網(wǎng)路傳輸可靠性要求很高且希望免維護(hù)使用的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于Dust Network，ADI不僅提供高性能的芯片和產(chǎn)品化的模組，同時(shí)提供相應(yīng)的產(chǎn)品級(jí)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。此外，ADI還提供SubGHz的RF產(chǎn)品和低功耗的處理器，搭配ADI的6 LoPan協(xié)議棧，在滿足低功耗的前提下，可以給客戶提供低于1 GHz的網(wǎng)絡(luò)連接(低頻段的無(wú)線連接具有更強(qiáng)的穿透能力和更遠(yuǎn)的傳輸距離)。ADI的Dust Network或6 LoPan網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)客戶配置自己的私有子網(wǎng)及進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并可以通過(guò)相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，與廣域網(wǎng)(如NB-IoT)進(jìn)行連接。

　　在感知、測(cè)量和解讀方面，ADI憑借高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理能力，提供多種高性能的傳感器，例如ToF、Radar(雷達(dá))、聲音、氣體傳感器等解決方案。ADI提供全系列的MEMS傳感器，例如加速度計(jì)、陀螺儀和IMU等，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如機(jī)器人、飛行器、傾角檢測(cè)、物品追蹤等。另外，ADI也非常重視數(shù)據(jù)分析，在這方面也有相應(yīng)的投入。未來(lái)會(huì)在特定的IoT應(yīng)用提供解決方案給客戶。

安全性對(duì)物聯(lián)網(wǎng)解決方案至關(guān)重要

　　實(shí)施靈活的安全解決方案來(lái)滿足物聯(lián)網(wǎng)這種不斷變化的趨勢(shì)要求至關(guān)重要。與各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)類似，安全解決方案也不是一成不變的。重要的是，能夠創(chuàng)建一個(gè)可以安全認(rèn)證并受到保護(hù)的唯一可信身份。有不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這種信任，并且可以根據(jù)特定系統(tǒng)所需的安全級(jí)別增加額外的措施。本質(zhì)上，開(kāi)發(fā)人員可以使用我們的可擴(kuò)展、模塊化解決方案，幫助其將Microchip的硬件和開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)接入他們的應(yīng)用中，而幾乎無(wú)需開(kāi)銷。

　　Microchip可以提供豐富的驗(yàn)證器件，這些器件采用基于硬件的可信根存儲(chǔ)和加密對(duì)策，能輕松應(yīng)對(duì)強(qiáng)大的攻擊。

　　在基本的安全層面上，單片機(jī)(MCU)可使用軟件算法來(lái)執(zhí)行對(duì)稱加密，從而實(shí)現(xiàn)安全通信。隨著用戶變得越來(lái)越復(fù)雜并且希望使其連接的系統(tǒng)更安全，他們可以使用Microchip的CEC1702或SAM D51/E54等MCU，這些MCU現(xiàn)已包括用于公鑰加密的非對(duì)稱硬件加速器、用于認(rèn)證和反克隆的哈希算法以及用于加密和解密數(shù)據(jù)的橢圓曲線。集成到MCU中的硬件加密加速器的運(yùn)行速度遠(yuǎn)快于軟件中運(yùn)行的算法，有助于減小總體代碼長(zhǎng)度。除了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證外，確保MCU僅執(zhí)行可信代碼并提供安全固件更新的機(jī)制至關(guān)重要。這通過(guò)硬件驗(yàn)證的啟動(dòng)過(guò)程完成，以確保系統(tǒng)只能使用來(lái)自不可變?cè)吹拇a啟動(dòng)。在MCU中的不可寫(xiě)存儲(chǔ)器中，不可變?cè)赐ǔＪ欠且资缘摹?/p>

　　增加安全性另一種方法是使用ATECC608A等配套芯片，此芯片提供基于硬件的安全密鑰存儲(chǔ)，可確保產(chǎn)品、產(chǎn)品運(yùn)行的固件、支持產(chǎn)品的附件及產(chǎn)品連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不會(huì)遭到克隆、偽造或篡改。

　　從運(yùn)行在MCU上的SSL(安全套接字層)和TLS(傳輸層安全)等軟件解決方案到集成有高級(jí)硬件加密功能的MCU和MPU，Microchip可為客戶提供靈活、可擴(kuò)展的MCU解決方案，從而實(shí)現(xiàn)安全連接并避免中間人、拒絕服務(wù)和后門攻擊。Microchip的解決方案還為安全固件更新提供了途徑，可保護(hù)系統(tǒng)免受惡意軟件或存儲(chǔ)器損壞的影響。

智慧工廠的安全性及電源效率

　　未來(lái)工廠的發(fā)展已經(jīng)在智能化的道路上越走越遠(yuǎn)，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量也在不斷攀升。這就要求智慧工廠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要復(fù)雜精密的傳感器、嵌入式處理、可靠的安全性以及優(yōu)異的電源效率。

　　感知

　　智能、超小尺寸傳感器是自動(dòng)化工廠設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)收集各種用于智能決策的數(shù)據(jù)，例如距離、溫度以及壓力等參數(shù)?？梢哉f(shuō)，傳感器在優(yōu)化生產(chǎn)、降低計(jì)劃外維護(hù)成本以及保持市場(chǎng)供求平衡方面發(fā)揮著核心的作用。

　　Maxim提供廣泛、全面的緊湊、低功耗傳感器IC，包括全面的溫度傳感器、光傳感器以及傳感器接口與通信、模擬前端(AFE)等方案。

　　Maxim新推出的MAX14819雙通道IO-Link主機(jī)收發(fā)器可提供集成成幀器和L+電源控制器完全兼容的IO-Link解決方案，并確保以低功耗實(shí)現(xiàn)可靠通信。此外，Maxim還提供滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、種類豐富的RS-485/RS-422收發(fā)器。

　　嵌入式處理

　　智能傳感器收集的所有數(shù)據(jù)都需要由驅(qū)動(dòng)工廠中分布式控制的緊湊型可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行處理，往往是實(shí)時(shí)處理。IIoT正在推動(dòng)對(duì)大規(guī)模計(jì)算能力、更低功耗和更小尺寸的需求，以支持更高的制造效率。所以，低功耗MCU是為IIoT系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)計(jì)算和處理的大腦。

　　Maxim的低功耗Arm? Cortex?-M4 FPU微控制器可幫助構(gòu)建智能化IIoT設(shè)備，提供長(zhǎng)電池壽命，可用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、過(guò)程自動(dòng)化、電池供電的傳感器設(shè)計(jì)等。Maxim的MAX32600極低功耗Arm Cortex-M3微控制器，集成AFE，支持以很少的分立式元件進(jìn)行高精度測(cè)量。

　　安全性

　　網(wǎng)絡(luò)攻擊事件不斷上演，而IoT設(shè)備已經(jīng)成為遭受攻擊的薄弱節(jié)點(diǎn)。為保證IIoT的安全，就必須保證可以接觸到被收集和分析的數(shù)據(jù)的所有關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的安全，覆蓋從傳感器到網(wǎng)絡(luò)再到軟件和服務(wù)器。安全控制模塊可檢測(cè)偽冒產(chǎn)品，確保系統(tǒng)內(nèi)使用正確的模塊，以及確保數(shù)據(jù)本身未被篡改。

　　Maxim最新發(fā)布的DS28E38 DeepCover?安全認(rèn)證器采用ChipDNA? PUF (物理上無(wú)法克隆) 技術(shù)，設(shè)計(jì)者能夠以低成本輕松獲取主動(dòng)保護(hù)方案，有效防御入侵式攻擊，可靠地保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品。

　　電源效率

　　對(duì)于需要確保每天24小時(shí)、每周7天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)線的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)率損失是其面臨的共同挑戰(zhàn)。同時(shí)，工業(yè)4.0和IIoT正在不斷降低自動(dòng)化設(shè)備的體積，提高低功耗和低散熱要求。

　　Maxim的Pocket IO? PLC開(kāi)發(fā)平臺(tái)重新定義了工廠運(yùn)作方式并支持工業(yè)4.0應(yīng)用，將傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程升級(jí)到實(shí)時(shí)智能化管理、自適應(yīng)生產(chǎn)及分布式控制，可快速、有效地做出決策、規(guī)避故障停機(jī)，極大程度提高生產(chǎn)力。

邊緣計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算加速機(jī)器學(xué)習(xí)及推理

　　網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算，即在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行“機(jī)器學(xué)習(xí)推理”的能力(智慧城市、智能工廠、智能汽車等)，可極大限度地減少?zèng)Q策和分析的延遲，相比通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析，也可減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，增強(qiáng)用戶隱私(因?yàn)閿?shù)據(jù)停留在本地設(shè)備上)，并可在無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接的情況下進(jìn)行“推理”。盡管機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已存在幾十年，得益于計(jì)算能力的發(fā)展和成本降低，以及獲得可用于“訓(xùn)練”的海量數(shù)據(jù)(如數(shù)字圖像、視頻、音頻等)，近年來(lái)它才開(kāi)始表現(xiàn)出比傳統(tǒng)算法更好的結(jié)果，使我們能夠構(gòu)建更復(fù)雜，更深層次的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)。

　　由于其并行處理架構(gòu)，萊迪思FPGA適用于網(wǎng)絡(luò)邊緣“推理”應(yīng)用，能夠以最低1 W的功耗實(shí)現(xiàn)很高的每秒運(yùn)算(OPS)(與CPU和GPU相比)。使用FPGA提供的并行處理架構(gòu)可顯著加速CNN處理。此外，由于我們還處于機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)展的早期階段，所以每天都有不斷改良的CNN架構(gòu)正在研究和發(fā)布。 因此，在全新的CNN架構(gòu)和技術(shù)確定前，靈活和可編程的硬件架構(gòu)(諸如FPGA所提供的架構(gòu))可助力實(shí)現(xiàn)輕松升級(jí)。

　　對(duì)于那些希望快速開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，萊迪思為嵌入式視覺(jué)解決方案提供了一個(gè)易于使用的快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。嵌入式視覺(jué)開(kāi)發(fā)套件是一個(gè)包含三塊開(kāi)發(fā)板的模塊化平臺(tái)，包括CrossLink VIP輸入橋接板、ECP5 VIP處理器板和HDMI VIP輸出橋接板：

　　? CrossLink VIP輸入橋接板具有2個(gè)MIPI CSI-2接口，可連接至2個(gè)Sony IMX HD攝像頭傳感器;

　　? ECP5 VIP處理器板配有ECP5 FPGA，專門優(yōu)化用于支持預(yù)處理和后處理。處理器板還通過(guò)NanoVestor連接器和與Helion Vision合作的高清圖像信號(hào)處理(ISP)IP支持外部圖像傳感器視頻輸入;

　　? 基于Sil1136 IC，HDMI VIP輸出板可連接標(biāo)準(zhǔn)的HDMI顯示器。

　　三塊開(kāi)發(fā)板組成的套件可為機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、ADAS、智能監(jiān)控和AV / VR系統(tǒng)等應(yīng)用提供所需的設(shè)計(jì)靈活性和低功耗。