工业物联网技术方案及发展大潮

作者 / 王莹 王金旺 《电子产品世界》编辑(北京 100036)

摘要：以第四次工业革命为代表的工业物联网(IIoT)正在发生。感知、测量、解读、工业通信、网络安全和边缘计算(从简单数据优化到机器学习)等都将围绕IoT与IT的大融合而发生演化或变革。

高效与安全

利用IIoT技术提供更高效的解决方案

　　人们希望利用IIoT技术能提供更智能和高效的解决方案来解决过去需要花费很多人力物力的问题。例如工厂设备的健康检测、物品运输过程中的状态监控、生产环境监控等。在所有这些应用中，都希望能够实现数据的准确采集，并通过无线或有线的方式进行快速和可靠的传输，再对数据进行分析以及实时采取措施;因此都缺不了高精度的传感器和相应的采样调理电路、可靠的数据连接及数据分析能力。

　　ADI的IIoT产品方案

　　ADI的IIoT产品涵盖感知、测量、解读、连接和数据分析的各方面。

　　以连接为例，ADI提供2.4 GHz频段的Mesh IP网络，即Dust Network。这个网络在2.4 GHz ISM频段上实现了99.999%的高可靠性，并且功耗很低(一节纽扣电池可以用10年)。适用于对网路传输可靠性要求很高且希望免维护使用的工业应用场合。对于Dust Network，ADI不仅提供高性能的芯片和产品化的模组，同时提供相应的产品级的网络协议栈。此外，ADI还提供SubGHz的RF产品和低功耗的处理器，搭配ADI的6 LoPan协议栈，在满足低功耗的前提下，可以给客户提供低于1 GHz的网络连接(低频段的无线连接具有更强的穿透能力和更远的传输距离)。ADI的Dust Network或6 LoPan网络，适用于工业客户配置自己的私有子网及进行可靠的数据传输，并可以通过相应的网关，与广域网(如NB-IoT)进行连接。

　　在感知、测量和解读方面，ADI凭借高性能模数转换及信号调理能力，提供多种高性能的传感器，例如ToF、Radar(雷达)、声音、气体传感器等解决方案。ADI提供全系列的MEMS传感器，例如加速度计、陀螺仪和IMU等，被广泛应用于各种工业应用，例如机器人、飞行器、倾角检测、物品追踪等。另外，ADI也非常重视数据分析，在这方面也有相应的投入。未来会在特定的IoT应用提供解决方案给客户。

安全性对物联网解决方案至关重要

　　实施灵活的安全解决方案来满足物联网这种不断变化的趋势要求至关重要。与各种各样的物联网标准类似，安全解决方案也不是一成不变的。重要的是，能够创建一个可以安全认证并受到保护的唯一可信身份。有不同的方法来实现这种信任，并且可以根据特定系统所需的安全级别增加额外的措施。本质上，开发人员可以使用我们的可扩展、模块化解决方案，帮助其将Microchip的硬件和开发生态系统接入他们的应用中，而几乎无需开销。

　　Microchip可以提供丰富的验证器件，这些器件采用基于硬件的可信根存储和加密对策，能轻松应对强大的攻击。

　　在基本的安全层面上，单片机(MCU)可使用软件算法来执行对称加密，从而实现安全通信。随着用户变得越来越复杂并且希望使其连接的系统更安全，他们可以使用Microchip的CEC1702或SAM D51/E54等MCU，这些MCU现已包括用于公钥加密的非对称硬件加速器、用于认证和反克隆的哈希算法以及用于加密和解密数据的椭圆曲线。集成到MCU中的硬件加密加速器的运行速度远快于软件中运行的算法，有助于减小总体代码长度。除了对系统进行验证外，确保MCU仅执行可信代码并提供安全固件更新的机制至关重要。这通过硬件验证的启动过程完成，以确保系统只能使用来自不可变源的代码启动。在MCU中的不可写存储器中，不可变源通常是非易失性的。

　　增加安全性另一种方法是使用ATECC608A等配套芯片，此芯片提供基于硬件的安全密钥存储，可确保产品、产品运行的固件、支持产品的附件及产品连接的网络节点不会遭到克隆、伪造或篡改。

　　从运行在MCU上的SSL(安全套接字层)和TLS(传输层安全)等软件解决方案到集成有高级硬件加密功能的MCU和MPU，Microchip可为客户提供灵活、可扩展的MCU解决方案，从而实现安全连接并避免中间人、拒绝服务和后门攻击。Microchip的解决方案还为安全固件更新提供了途径，可保护系统免受恶意软件或存储器损坏的影响。

智慧工厂的安全性及电源效率

　　未来工厂的发展已经在智能化的道路上越走越远，工业自动化设备的生产效率和产量也在不断攀升。这就要求智慧工厂系统的设计需要复杂精密的传感器、嵌入式处理、可靠的安全性以及优异的电源效率。

　　感知

　　智能、超小尺寸传感器是自动化工厂设备的核心，负责收集各种用于智能决策的数据，例如距离、温度以及压力等参数。可以说，传感器在优化生产、降低计划外维护成本以及保持市场供求平衡方面发挥着核心的作用。

　　Maxim提供广泛、全面的紧凑、低功耗传感器IC，包括全面的温度传感器、光传感器以及传感器接口与通信、模拟前端(AFE)等方案。

　　Maxim新推出的MAX14819双通道IO-Link主机收发器可提供集成成帧器和L+电源控制器完全兼容的IO-Link解决方案，并确保以低功耗实现可靠通信。此外，Maxim还提供满足工业标准、种类丰富的RS-485/RS-422收发器。

　　嵌入式处理

　　智能传感器收集的所有数据都需要由驱动工厂中分布式控制的紧凑型可编程逻辑控制器(PLC)进行处理，往往是实时处理。IIoT正在推动对大规模计算能力、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是为IIoT系统提供实时计算和处理的大脑。

　　Maxim的低功耗Arm® Cortex®-M4 FPU微控制器可帮助构建智能化IIoT设备，提供长电池寿命，可用于无线传感器节点、过程自动化、电池供电的传感器设计等。Maxim的MAX32600极低功耗Arm Cortex-M3微控制器，集成AFE，支持以很少的分立式元件进行高精度测量。

　　安全性

　　网络攻击事件不断上演，而IoT设备已经成为遭受攻击的薄弱节点。为保证IIoT的安全，就必须保证可以接触到被收集和分析的数据的所有关键技术领域的安全，覆盖从传感器到网络再到软件和服务器。安全控制模块可检测伪冒产品，确保系统内使用正确的模块，以及确保数据本身未被篡改。

　　Maxim最新发布的DS28E38 DeepCover®安全认证器采用ChipDNA™ PUF (物理上无法克隆) 技术，设计者能够以低成本轻松获取主动保护方案，有效防御入侵式攻击，可靠地保护其知识产权和产品。

　　电源效率

　　对于需要确保每天24小时、每周7天连续运转生产线的工业系统设计者来说，生产率损失是其面临的共同挑战。同时，工业4.0和IIoT正在不断降低自动化设备的体积，提高低功耗和低散热要求。

　　Maxim的Pocket IO™ PLC开发平台重新定义了工厂运作方式并支持工业4.0应用，将传统的生产过程升级到实时智能化管理、自适应生产及分布式控制，可快速、有效地做出决策、规避故障停机，极大程度提高生产力。

边缘计算

网络边缘计算加速机器学习及推理

　　网络边缘计算，即在网络边缘进行“机器学习推理”的能力(智慧城市、智能工厂、智能汽车等)，可极大限度地减少决策和分析的延迟，相比通过网络将所有数据发送到数据中心进行分析，也可减少网络拥塞，增强用户隐私(因为数据停留在本地设备上)，并可在无网络连接的情况下进行“推理”。尽管机器学习技术已存在几十年，得益于计算能力的发展和成本降低，以及获得可用于“训练”的海量数据(如数字图像、视频、音频等)，近年来它才开始表现出比传统算法更好的结果，使我们能够构建更复杂，更深层次的卷积神经网络(CNN)。

　　由于其并行处理架构，莱迪思FPGA适用于网络边缘“推理”应用，能够以最低1 W的功耗实现很高的每秒运算(OPS)(与CPU和GPU相比)。使用FPGA提供的并行处理架构可显著加速CNN处理。此外，由于我们还处于机器学习发展的早期阶段，所以每天都有不断改良的CNN架构正在研究和发布。 因此，在全新的CNN架构和技术确定前，灵活和可编程的硬件架构(诸如FPGA所提供的架构)可助力实现轻松升级。

　　对于那些希望快速开发的设计人员来说，莱迪思为嵌入式视觉解决方案提供了一个易于使用的快速原型开发平台。嵌入式视觉开发套件是一个包含三块开发板的模块化平台，包括CrossLink VIP输入桥接板、ECP5 VIP处理器板和HDMI VIP输出桥接板：

　　• CrossLink VIP输入桥接板具有2个MIPI CSI-2接口，可连接至2个Sony IMX HD摄像头传感器;

　　• ECP5 VIP处理器板配有ECP5 FPGA，专门优化用于支持预处理和后处理。处理器板还通过NanoVestor连接器和与Helion Vision合作的高清图像信号处理(ISP)IP支持外部图像传感器视频输入;

　　• 基于Sil1136 IC，HDMI VIP输出板可连接标准的HDMI显示器。

　　三块开发板组成的套件可为机器人、无人机、ADAS、智能监控和AV / VR系统等应用提供所需的设计灵活性和低功耗。