工業物聯網技術方案及發展大潮

王瑩 王金旺

摘要：以第四次工業革命為代表的工業物聯網（ IIoT）正在發生。感知、測量、解讀、工業通信、網絡安全和邊緣計算（從簡單數據優化到機器學習）等都將圍繞IoT與IT的大融合而發生演化或變革。

關鍵詞：IIoT；機器學習；傳感器

高效與安全

利用IIoT技術提供更高效的解決方案

人們希望利用IIoT技術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。例如工廠設備的健康檢測、物品運輸過程中的狀態監控、生產環境監控等。在所有這些應用中，都希望能夠實現數據的準確采集，并通過無線或有線的方式進行快速和可靠的傳輸，再對數據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的采樣調理電路、可靠的數據連接及數據分析能力。

ADI的IIoT產品方案

ADI的IIoT產品涵蓋感知、測量、解讀、連接和數據分析的各方面。

以連接為例，ADI提供2.4 GHz頻段的MesH lP網絡，即Dust Network。這個網絡在2.4 GHz ISM頻段上實現了99.999%的高可靠性，并且功耗很低（一節紐扣電池可以用10年）。適用于對網路傳輸可靠性要求很高且希望免維護使用的工業應用場合。對于DustNetwork，ADI不僅提供高性能的芯片和產品化的模組，同時提供相應的產品級的網絡協議棧。此外，ADI還提供SubGHz的RF產品和低功耗的處理器，搭配ADI的6 LoPan協議棧，在滿足低功耗的前提下，可以給客戶提供低于1GHz的網絡連接（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DustNetwork或6 LoPan網絡，適用于工業客戶配置自己的私有子網及進行可靠的數據傳輸，并可以通過相應的網關，與廣域網（如NB-IoT）進行連接。

在感知、測量和解讀方面，ADI憑借高性能模數轉換及信號調理能力，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，被廣泛應用于各種工業應用，例如機器人、飛行器、傾角檢測、物品追蹤等。另外，ADI也非常重視數據分析，在這方面也有相應的投入。未來會在特定的IoT應用提供解決方案給客戶。

安全性對物聯網解決方案至關重要

實施靈活的安全解決方案來滿足物聯網這種不斷變化的趨勢要求至關重要。與各種各樣的物聯網標準類似，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這種信任，并且可以根據特定系統所需的安全級別增加額外的措施。本質上，開發人員可以使用我們的可擴展、模塊化解決方案，幫助其將MicrocHip的硬件和開發生態系統接入他們的應用中，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行對稱加密，從而實現安全通信。隨著用戶變得越來越復雜并且希望使其連接的系統更安全，他們可以使用Microchip的CEC1702或SAM D51/E54等MCU，這些MCU現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據的橢圓曲線。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。除了對系統進行驗證外，確保MCU僅執行可信代碼并提供安全固件更新的機制至關重要。這通過硬件驗證的啟動過程完成，以確保系統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，可確保產品、產品運行的固件、支持產品的附件及產品連接的網絡節點不會遭到克隆、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，從而實現安全連接并避免中間人、拒絕服務和后門攻擊。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

未來工廠的發展已經在智能化的道路上越走越遠，工業自動化設備的生產效率和產量也在不斷攀升。這就要求智慧工廠系統的設計需要復雜精密的傳感器、嵌入式處理、可靠的安全性以及優異的電源效率。

感知

智能、超小尺寸傳感器是自動化工廠設備的核心，負責收集各種用于智能決策的數據，例如距離、溫度以及壓力等參數。可以說，傳感器在優化生產、降低計劃外維護成本以及保持市場供求平衡方面發揮著核心的作用。

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可靠通信。此外，Maxim還提供滿足工業標準、種類豐富的RS-485/RS-422收發器。

嵌入式處理

智能傳感器收集的所有數據都需要由驅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微控制器可幫助構建智能化IIoT設備，提供長電池壽命，可用于無線傳感器節點、過程自動化、電池供電的傳感器設計等。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

網絡攻擊事件不斷上演，而IoT設備已經成為遭受攻擊的薄弱節點。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據的所有關鍵技術領域的安全，覆蓋從傳感器到網絡再到軟件和服務器。安全控制模塊可檢測偽冒產品，確保系統內使用正確的模塊，以及確保數據本身未被篡改。

Maxim最新發布的DS28E38 DeepCover ？安全認證器采用ChipDNATM PUF（物理上無法克隆）技術，設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權和產品。

電源效率

對于需要確保每天24小時、每周7天連續運轉生產線的工業系統設計者來說，生產率損失是其面臨的共同挑戰。同時，工業4.0和IIoT正在不斷降低自動化設備的體積，提高低功耗和低散熱要求。

Maxim的Pocket IOTM PLC開發平臺重新定義了工廠運作方式并支持工業4.0應用，將傳統的生產過程升級到實時智能化管理、自適應生產及分布式控制，可快速、有效地做出決策、規避故障停機，極大程度提高生產力。

邊緣計算

網絡邊緣計算加速機器學習及推理

網絡邊緣計算，即在網絡邊緣進行“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，相比通過網絡將所有數據發送到數據中心進行分析，也可減少網絡擁塞，增強用戶隱私（因為數據停留在本地設備上），并可在無網絡連接的情況下進行“推理”。盡管機器學習技術已存在幾十年，得益于計算能力的發展和成本降低，以及獲得可用于“訓練”的海量數據（如數字圖像、視頻、音頻等），近年來它才開始表現出比傳統算法更好的結果，使我們能夠構建更復雜，更深層次的卷積神經網絡（CNN）。

由于其并行處理架構，萊迪思FPGA適用于網絡邊緣“推理”應用，能夠以最低1 W的功耗實現很高的每秒運算（OPS） （與CPU和GPU相比）。使用FPGA提供的并行處理架構可顯著加速CNN處理。此外，由于我們還處于機器學習發展的早期階段，所以每天都有不斷改良的CNN架構正在研究和發布。因此，在全新的CNN架構和技術確定前，靈活和可編程的硬件架構（諸如FPGA所提供的架構）可助力實現輕松升級。

對于那些希望快速開發的設計人員來說，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平臺。嵌入式視覺開發套件是一個包含三塊開發板的模塊化平臺，包括CrossLink VIP輸入橋接板、ECP5VIP處理器板和HDMIVIP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SonyIMX HD攝像頭傳感器；

●ECP5 VIP處理器板配有ECP5 FPGA，專門優化用于支持預處理和后處理。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） lP支持外部圖像傳感器視頻輸入；

●基于Sil 1136 lC，HDMI VIP輸出板可連接標準的HDMI顯示器。

三塊開發板組成的套件可為機器人、無人機、ADAS、智能監控和AV/VR系統等應用提供所需的設計靈活性和低功耗。

適用于IIoT的邊緣計算設備

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結構中，IT端通常扮演著更為重要的角色，所有的數據分析、數據挖掘和數據決策都在云端完成，而設備端只是用來收集數據。因此，以往的IIoT架構對設備端并沒有特別高的要求。但對于工業設備而言，很多數據的分析和處理都具有實時性、低延遲的要求，例如協同、控制等時間敏感的信號，而數據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據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、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。需要強調的是，真正適用于IIoT的“邊緣計算”設備并不僅僅是傳統的控制器或者網關，而是需要滿足3個必備能力：采集邊緣數據、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據源的近端設備處理，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、醫療設備、機器人等工業設備連接數量的指數型增長，將會有越來越多的工業應用采用邊緣計算。在未來，邊緣計算將與云計算互相協同，共同助力各行各業的數字化轉型。NI的IIoT解決方案

到目前為止，NI已經聯合生態系統，推出了從設備端到決策端的完整的IIoT解決方案。該方案解決了邊緣計算最關鍵的兩個技術要點：高性能的邊緣節點和專業的數據管理。

首先，NI為工程師提供高性能的數據采集硬件平臺，擔任設備端邊緣節點，可以同時完成對設備狀態的數據收集與在線預處理。

其次，在數據管理方面，NI也推出了一系列專用的軟件產品，包括企業級狀態監測軟件InsigHtCM，分布式系統集中管理軟件System Link，海量數據管理及分析套件Diadem，以及在2017年新推出的LabVIEW機器學習工具包，能夠在邊緣側或云端提供專用于垂直工業領域的集中化數據管理和數據挖掘。同時，NI還大力投入機器學習領域，將人工智能這一熱點技術應用到IIoT中，通過對邊緣節點收集到的設備信息進行模型訓練和驗證，實現預測性維護的優化商業決策，真正實現IT+OT的技術融合。

此外，對于IIoT的快速發展，Nl一直在關注新的技術趨勢，并不斷做出創新。

無線與互聯

無線連接技術將重塑工業應用

無線連接技術正在重塑許多工業應用，例如在過去是非常難以實現或是實現成本很高的連續監測傳感器：像zigbee這樣的無線網狀網絡在這些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讀取計量值的自動電表。智能表計使得發電廠的操作員有能力去分析數據，并且在某些情況下還能控制整個電網的能耗，支持他們去優化電力生產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境中提取有價值的數據。當然，傳感器是必不可少的，SiliconLabs為工業應用提供一系列高精度的溫度、濕度、光學和磁性傳感器。終端節點上的無線微控制器也是一個關鍵組件。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。終端節點的功能現在是至關重要的，因為在許多情況下，傳感器數據必須在終端節點上執行操作以提取有價值的信息，來盡可能減少無線傳輸數據的大小和頻率。這種邊緣計算方式對于節約能量至關重要，且在終端節點可根據傳感器數據直接與其環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鍵的工藝流程中執行該命令。

Silicon Labs無線解決方案

終端節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。SiliconLabs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、以太網和以太網供電（PoE）。另外，SiIicon Labs也提供多協議無線解決方案及專門用于支持測量傳感器的硬件。

傳感器網絡普及使諸多物聯網應用成為可能

Molex工業解決方案業務部業務發展經理LindaShan認為，在IIoT領域，包括有線和無線在內的傳感器網絡的大規模普及正在使數諸多應用成為可能。例如，這類傳感器網絡在人機接口（HMI）方面促進了智能手機的使用，可以監控并控制各種工業過程。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的天線。

在今后幾年內，相信這一趨勢很可能繼續保持下去，而IIoT及工業4.0的發展將為行業帶來挑戰，需要部署具有移動性、微型化并且接入網狀網絡、采用了超低功率無線技術的各種“智能”設備。這類設備的設計將滿足工業過程優化所提出的復雜挑戰，并且以高效的HMI來推動一系列應用的發展。

高速的低延遲通信對于IIoT的功能將發揮至關重要的作用，尤其在于，海量的數據都將需要存儲到數據中心，在采用飛速發展的數據分析領域的各種工具的情況下，接受一定的分析。

預計在201 8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|生并加快上市速度，而這些都是通過將智能設備整合到IIoT中來實現的。其中的一個范例就是通過遠程狀態監測及預測性維護來優化系統的可用性。這樣可以使機器和系統的構建商為制造業的客戶帶來附加值，并且對他們的傳統商業模式重新進行思考。

Molex的IIoT解決方案

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

印刷電子學現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的全部優勢。

同時，Molex還提供一系列適用于IIoT和M2M應用的標準天線。這些產品可以快速部署，加快上市速度。當前的MoIex標準天線選擇設計用于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格式與布局的設計當中，Molex還提供包括液位傳感器在內的多種電容式觸控傳感器。

使用NB-IoT或Cat-M的物聯網設備

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趨勢中占據一定的地位。通過互聯網使得工業物件能夠相互溝通的其中一個趨勢就是將新的窄帶技術用于物聯網設備（NB-IoT）或LTE的分類M （Cat-M），視不同區域而定。這種新的無線技術允許設備直接連接到互聯網，而無需通過智能手機、路由器或網關，與標準GSM、UMTS或LTE模塊的區別在于功耗要低得多。

使用NB-IoT或Cat-M的物聯網設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被炒作，但在大部分的應用中，這些遠程技術都將被替換。IIoT的另一個大趨勢是歐洲數據保護法規（EU-GDPR）新框架的要求，特別是關于第25條和第32條。這對所有希望在歐洲市場推出新產品的客戶都很重要。他們必須對產品進行重新設計，并且使用先進的組件和技術來保障所有個人數據的安全，個人數據意味著99%的所有可用數據。

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

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，關于EU-GDPR，儒卓力已經建立了一個技術團隊，集中了來自不同產品類別的專家，讓他們專注于應對GDPR問題。在拜訪客戶時，該技術團隊支持銷售團隊，討論這項新法規的不同方面，以及我們應對任何數據泄漏的解決方案。

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