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、測量、解讀、工業(yè)通信、網(wǎng)絡(luò)安全和邊緣計算(從簡單數(shù)據(jù)優(yōu)化到機器學習)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解決過去需要花費很多人力物力的問題。例如工廠設(shè)備的健康檢測、物品運輸過程中的狀態(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)的準確采集，并通過無線或有線的方式進行快速和可靠的傳輸，再對數(shù)據(jù)進行分析以及實時采取措施;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。這個網(wǎng)絡(luò)在2.4 GHz ISM頻段上實現(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)。適用于對網(wǎng)路傳輸可靠性要求很高且希望免維護使用的工業(yè)應(yīng)用場合。對于Dust Network，ADI不僅提供高性能的芯片和產(chǎn)品化的模組，同時提供相應(yīng)的產(chǎn)品級的網(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(低頻段的無線連接具有更強的穿透能力和更遠的傳輸距離)。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)及進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，并可以通過相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，與廣域網(wǎng)(如NB-IoT)進行連接。

　　在感知、測量和解讀方面，ADI憑借高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理能力，提供多種高性能的傳感器，例如ToF、Radar(雷達)、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、陀螺儀和IMU等，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如機器人、飛行器、傾角檢測、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。未來會在特定的IoT應(yīng)用提供解決方案給客戶。

安全性對物聯(lián)網(wǎng)解決方案至關(guān)重要

　　實施靈活的安全解決方案來滿足物聯(lián)網(wǎng)這種不斷變化的趨勢要求至關(guān)重要。與各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)標準類似，安全解決方案也不是一成不變的。重要的是，能夠創(chuàng)建一個可以安全認證并受到保護的唯一可信身份。有不同的方法來實現(xiàn)這種信任，并且可以根據(jù)特定系統(tǒng)所需的安全級別增加額外的措施。本質(zhì)上，開發(fā)人員可以使用我們的可擴展、模塊化解決方案，幫助其將Microchip的硬件和開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)接入他們的應(yīng)用中，而幾乎無需開銷。

　　Microchip可以提供豐富的驗證器件，這些器件采用基于硬件的可信根存儲和加密對策，能輕松應(yīng)對強大的攻擊。

　　在基本的安全層面上，單片機(MCU)可使用軟件算法來執(zhí)行對稱加密，從而實現(xiàn)安全通信。隨著用戶變得越來越復(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稱硬件加速器、用于認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行速度遠快于軟件中運行的算法，有助于減小總體代碼長度。除了對系統(tǒng)進行驗證外，確保MCU僅執(zhí)行可信代碼并提供安全固件更新的機制至關(guān)重要。這通過硬件驗證的啟動過程完成，以確保系統(tǒng)只能使用來自不可變源的代碼啟動。在MCU中的不可寫存儲器中，不可變源通常是非易失性的。

　　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，可確保產(chǎn)品、產(chǎn)品運行的固件、支持產(chǎn)品的附件及產(chǎn)品連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不會遭到克隆、偽造或篡改。

　　從運行在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硬件加密功能的MCU和MPU，Microchip可為客戶提供靈活、可擴展的MCU解決方案，從而實現(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，可保護系統(tǒng)免受惡意軟件或存儲器損壞的影響。

智慧工廠的安全性及電源效率

　　未來工廠的發(fā)展已經(jīng)在智能化的道路上越走越遠，工業(yè)自動化設(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化工廠設(shè)備的核心，負責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，傳感器在優(yōu)化生產(chǎn)、降低計劃外維護成本以及保持市場供求平衡方面發(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，并確保以低功耗實現(xiàn)可靠通信。此外，Maxim還提供滿足工業(yè)標準、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)動工廠中分布式控制的緊湊型可編程邏輯控制器(PLC)進行處理，往往是實時處理。IIoT正在推動對大規(guī)模計算能力、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)提供實時計算和處理的大腦。

　　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，提供長電池壽命，可用于無線傳感器節(jié)點、過程自動化、電池供電的傳感器設(shè)計等。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行高精度測量。

　　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。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?安全認證器采用ChipDNA? PUF (物理上無法克隆) 技術(shù)，設(shè)計者能夠以低成本輕松獲取主動保護方案，有效防御入侵式攻擊，可靠地保護其知識產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品。

　　電源效率

　　對于需要確保每天24小時、每周7天連續(xù)運轉(zhuǎn)生產(chǎn)線的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計者來說，生產(chǎn)率損失是其面臨的共同挑戰(zhàn)。同時，工業(yè)4.0和IIoT正在不斷降低自動化設(shè)備的體積，提高低功耗和低散熱要求。

　　Maxim的Pocket IO? PLC開發(fā)平臺重新定義了工廠運作方式并支持工業(yè)4.0應(yīng)用，將傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程升級到實時智能化管理、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，極大程度提高生產(chǎn)力。

邊緣計算

網(wǎng)絡(luò)邊緣計算加速機器學習及推理

　　網(wǎng)絡(luò)邊緣計算，即在網(wǎng)絡(luò)邊緣進行“機器學習推理”的能力(智慧城市、智能工廠、智能汽車等)，可極大限度地減少決策和分析的延遲，相比通過網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進行分析，也可減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，增強用戶隱私(因為數(shù)據(jù)停留在本地設(shè)備上)，并可在無網(wǎng)絡(luò)連接的情況下進行“推理”。盡管機器學習技術(shù)已存在幾十年，得益于計算能力的發(fā)展和成本降低，以及獲得可用于“訓練”的海量數(shù)據(jù)(如數(shù)字圖像、視頻、音頻等)，近年來它才開始表現(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的功耗實現(xiàn)很高的每秒運算(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，由于我們還處于機器學習發(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))可助力實現(xiàn)輕松升級。

　　對于那些希望快速開發(fā)的設(shè)計人員來說，萊迪思為嵌入式視覺解決方案提供了一個易于使用的快速原型開發(fā)平臺。嵌入式視覺開發(fā)套件是一個包含三塊開發(fā)板的模塊化平臺，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MIPI CSI-2接口，可連接至2個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NanoVestor連接器和與Helion Vision合作的高清圖像信號處理(ISP)IP支持外部圖像傳感器視頻輸入;

　　? 基于Sil1136 IC，HDMI VIP輸出板可連接標準的HDMI顯示器。

　　三塊開發(fā)板組成的套件可為機器人、無人機、ADAS、智能監(jiān)控和AV / VR系統(tǒng)等應(yīng)用提供所需的設(shè)計靈活性和低功耗。