为工业物联网设计强大的系统

物联网(IoT)和工业物联网(IoT)具有将传感器数据流转换为有用信息的共同目标。然而,对于开发人员而言,显着差异在于基本要求,包括功耗,连接性,设计可靠性和稳健性。
对于物联网,对小尺寸,电池操作和无线连接的需求要求使用带有用于蓝牙或Wi-Fi通信的集成无线电子系统的低功率MCU。相比之下,恶劣的操作条件,大量的本地传感器和传统系统的结合驱使对强大的互连和使用能够卸载常规PLC的边缘设备的需求。
本文将通过与物联网相关的IIoT应用程序的独特要求进行工作。这将表明,尽管有额外的要求,开发人员可以找到各种解决方案,能够满足针对各个领域的应用程序的特定要求。

消费和工业物联网的差异

IoT和IIoT的应用程序在寻求从传感器获取的数据流中获取有用的信息方面有着相似的目标。两者都依赖于多层次的方法,其中外围设备直接或通过一些中间资源与高层应用进行通信。但是,除了这些相似之处外,各自要求的性质也会在外围设备设计和连接方面带来实质性差异。
例如,用于个人健康和健身的物联网传感器设计通常与在恶劣环境下精确监控和可靠控制工业设备所需的IIoT外围传感器和致动器几乎没有什么相似之处。同样,IoT和IIoT网络的连通性可能会带来根本不同的要求。
连接通常是IoT和IIoT系统实现之间的显着特征之一。如下所述,IIoT传统上依赖于硬连线连接到可编程逻辑控制器(PLC)和其他主机,而且这种方法的基本原理在今天基本上仍然有效。与之形成鲜明对比的是,个人和家庭使用的物联网应用程序通常围绕在用户的智能手机或其他移动设备上运行的应用程序,并通过蓝牙或Wi-Fi局域网连接到物联网设备或可穿戴设备。
为家庭或办公室应用而设计的物联网设备设计通常面临着功率和尺寸方面的严重限制。对于这些应用,消费者期望大多数物联网设备和所有可穿戴设备在充电之间的较长时间段内使用电池供电。针对在家中或办公室中佩戴或突出显示的产品,物联网设计通常面临其他产品工程要求,易用性,防水和防尘,最小设计占用空间以及与主流消费产品相关的其他功能。与此同时,设计成本和简单性成为寻求更快交付具有竞争力的产品的组织的关键问题。
低功耗无线MCU的出现为解决这些经常相互冲突的需求提供了一个解决方案。通过将无线子系统与处理器内核集成,无线MCU提供了一种更简单的方法,不仅减少了部件数量,而且还消除了与RF集成相关的设计挑战,加速了整体开发。
Dialog半导体公司的 DA1458x系列器件等无线MCU 集成了处理器内核,蓝牙无线电子系统,大量的片上存储器以及一系列模拟和数字外设。围绕着一个低功耗的32位ARM ®皮质® -M0处理器核心,所述MCU被设计以最小化在电池供电产品的功耗。MCU的集成蓝牙低功耗内核和射频无线电子系统的发射(Tx)仅为3.4毫安(mA),接收(Rx)仅为3.7毫安,MCU的典型功耗分别为4.88 mA和5.28 mA。

内存扩展

Dialog为DA1458x MCU提供多种针对特定操作要求而优化的型号。例如,DA14581针对无线充电应用进行了优化,DA14585和DA14586则针对需要小尺寸,低功耗和大容量存储器的可穿戴设备和智能家居应用。
Dialog Semiconductor DA14585包含96 KB SRAM工作存储器; 启动代码和蓝牙堆栈的128 KB ROM; 以及用于应用程序代码,蓝牙配置文件和配置数据的64 KB一次性可编程(OTP)存储器。DA14586具有与DA14585相同的功能,但增加了2 Mbit片上闪存模块,正常工作时整体功耗变化不大。
如果设计需要较大的程序存储器,开发人员可以很容易地增加一个外部闪光装置,如华邦电子 W25X20 2兆比特闪存或W25X40 4使用所述MCU SPI或I兆位闪光灯2个 I2C接口(图1)。采用2 x 3毫米小型无引脚(USON)封装,这两款闪存器件的设计尺寸仅略有增加。另一方面,与使用MCU的OTP或DA14586的内部闪存相比,使用外部闪存会导致功耗增加。由于外部闪存的SRAM加载时间更长,外部闪存编程电流水平更高以及外部闪存待机甚至掉电模式下的电流水平更高,因此功耗增加。
Dialog Semiconductor DA14585的图表
图1:对于需要比集成在无线MCU(如Dialog Semiconductor DA14585)中更多内存的物联网设计,开发人员可以通过SPI或I 2 C接口简单连接外部闪存设备。(图片来源:Dialog Semiconductor)

传感器数据

对于传感器数据采集,工程师可以利用集成在无线MCU(如Dialog Bluetooth MCU)中的模数转换器(ADC)。在某些情况下,工程师可能能够将传感器传感器输出直接馈送到MCU的ADC端口,可能通过一个简单的运算放大器进行缓冲。
然而,对于大多数物联网应用而言,传感器负载,线性度,温度补偿,信号摆幅,噪声以及其他考虑因素都需要更多的模拟信号链。即使使用可用的模拟前端(AFE)器件构建,独立的传感器设计也会增加复杂性,并且往往会延迟项目的完成。然而,通过利用不断增长的智能传感器阵列,开发人员可以快速创建一个物联网设计,其中包括比单个无线MCU和智能传感器更少的组件。
智能传感器将适当的传感器与完整的传感器信号链结合在一 这些信号链路针对特定传感器类型进行了优化,将模拟前端(包括功率放大器,滤波器和多路复用器)组合在一起,将调节后的信号传输到集成ADC。通常集成数字信号处理引擎,这些智能传感器可以独立于主机MCU执行大量的传感器信号处理操作。例如,TDK InvenSense ICM-20789集成测量单元(IMU)集成了一个数字运动处理器,用于执行独立于主机处理器的运动处理算法。该设备处理数据生成的各个方面 - 从传感器获取数据,处理数据,并将其保存在FIFO中供主机MCU稍后访问。
与所有智能传感器一样,ICM-20789的高集成度和标准I 2 C和SPI端口确保了快速的设计实施。开发人员只需添加一些额外的组件,包括一个电压调节器,如德州仪器 TLV702系列低压差(LDO)调节器(图2)。数据采集​​完成后,智能传感器可以唤醒睡眠的MCU处理数据。
TDK InvenSense ICM-20789 IMU的图解
图2:得益于TDK InvenSense ICM-20789 IMU等智能传感器的高度集成,开发人员可以实现一个完整的无线传感器设备,只需要几个组件。(图片来源:TDK InvenSense)
高效MCU低功耗模式和独立智能传感器操作相结合,为开发人员提供了一个功能强大的物联网设备设计平台。

恶劣的环境

与IoT应用程序一样,IIoT使用多个数据流来提供有用的信息。然而,使用IIoT,建立传感器网络的开发人员可以发现自己处理恶劣的操作条件,传感器布置和维护的限制以及传统传感器设备和主机系统的组合。
与大多数物联网应用不同,电池供电设备在工业环境中通常是不切实际的。繁忙的运营商几乎没有时间更换电池。即使在尘土飞扬,嘈杂的环境中处理这些微小的设备也可能会造成问题。与任何用于此环境的电子设备一样,开发人员需要创建能够应对灰尘,液体,物理应力,电气干扰等的强大机械和电气设计。
为了解决这些问题,工业自动化设计人员通过坚固的互连和通信协议,能够承受恶劣的环境,使用硬连线到PLC的传感器模块发展了解决方案。在互连系统中,M12已经成为工业以太网,模拟接口和数字串行接口的首选互连解决方案。
M12互连系统提供各种组件和引脚配置,提供了一个标准的,可靠的解决方案,可在各种电压和电流水平下与外围设备保持可靠的连接。例如,M12电缆组件(如Molex 1200700156)具有IP67保护功能,电压和电流额定值为250 V,每个触点4 A。
在通信协议中,IO-Link也同样出现在工业自动化和IIoT部署中。在信号层面,IO-Link提供了一个标准的连接协议,能够同时支持传统的模拟传感器系统和当前的数字传感器。借助专用IO-Link设备,开发人员只需将外围设备MCU连接到专用的IO-Link收发器(如Maxim Integrated MAX14827A),然后添加IO-Link主设备(如Maxim Integrated MAX14819连接到本地主机系统或PLC。开发人员使用标准的四触点M12互连组件(例如前面提到的Molex 1200700156)来完成外设传感器与主机/ PLC之间的IO-Link连接。

分布式网关

强大的M12互连和IO-Link通信的使用满足了工业环境中数据和信号连接的基本要求。IIoT不仅继承了传统自动化系统的要求,而且还通过大量的传感器设备将其显着扩展。反过来,外围传感器和IO通道的爆炸至少在工业环境中造成了巨大的后勤挑战。现有的PLC不仅因IO超负荷而受到威胁,而且电缆数量的急剧增加也可能导致设备电缆运行不堪重负。
为了解决与IIoT相关的不断增长的传感器负载,组织正在寻找更加灵活的方法来补充传统的PLC。在替代方案中,紧凑型I / O处理系统为应对与IIoT相关的I / O扩展提供了现成的解决方案。这些紧凑型系统最简单的作用就是作为微型PLC,为传感器馈源的突然增长提供了一个快速解决方案,超过了现有PLC的容量。在工业环境中,组织可以将这些小型系统分布在设备附近,将设备靠近设备以减少电缆运行,或者与传统PLC一起扩展I / O通道功能。
作为I / O通道扩展器的最简单的角色,微型PLC(例如Maxim Integrated Pocket IO系统)提供了大量的数字,模拟和IO-Link接口。Pocket IO平台提供30个I / O通道,包括模拟IO,数字I / O,RS485通道,编码器电机控制端口和四个IO-Link主通道的组合。该平台的控制程序运行在安装在平台三板组主板上的Intel Edison板上(图3)。
Maxim Integrated Pocket IO的示意图
图3:Maxim Integrated Pocket IO结合了由Intel Edison处理器上运行的软件控制的各种IO通道,为IIoT网络提供了一种嵌入式微型PLC解决方案,或者作为定制IIoT网关设计的基础。(图片来源:Maxim Integrated)
凭借其丰富的IO和程序功能,Pocket IO平台不仅提供了即时的插入式解决方案,还为定制需求提供了参考设计。
诸如Pocket IO之类的平台不仅减轻了PLC上增加的IO负担,而且为程序开发提供了一个更简单的选择。传统的PLC使用专门的编程语言,例如梯形图逻辑,这可能使不同的PLC平台之间的PLC程序移植复杂化。
由于Pocket IO等小型系统基于传统处理器,开发人员可以使用标准语言(如C / C ++)和熟悉的开发环境对其微型PLC和其他边缘设备进行编程。例如,在Pocket IO参考设计中,开发人员可以使用Arduino草图及其集成开发环境(IDE)快速实现处理信号的功能(清单1)。
// Makes Pocket IO analog input API available
//
#include // no init() method
PioAi pioAi; // instances an analog input interface object
pioAi.init(); // always needed for analog input
// Loads a previously stored calibration for that channel,
// usually done once at setup
//
pioAi.restoreCal(AI0);
while (XXX)
{
// Reads one sample as a raw binary code
//
uint32_t code = pioAi.readCode(AI0, AI_RATE_1_9_SPS);
// The returned code is in offset binary, where 0V is
// 2^23, 12V is 2^23+2^23 = 2^24, and -12V is // 2^23 – 2^23 = 0
//
// In the case of current, the calibration is done is
// firmware, so the returned code is not relevant
// float toVolts = (float) (code – 8388608) * 12.0 / 8388608;
// Or you can do it easier this way, for reading current,
// this is the best way.
// float volts = pioAi.readFloat(AI0, AI_RATE_1_9_SPS);
}
清单1:与典型的PLC不同,小型网关系统(如Maxim Integrated Pocket IO)执行用熟悉的编程语言编写的代码,使开发人员能够快速编写简单的程序,例如用于模拟输入处理的片段。(代码来源:Maxim Integrated)

边缘灵活性

微型PLC和其他IIoT边缘设备在物联网应用中很少有作用。在物联网中,Wi-Fi路由器(和专有集线器)主要用于提供外围设备和因特网之间的本地连接。相比之下,IIoT边缘设备也为外围设备的本地处理提供了关键的功能。
凭借其本地处理能力,边缘设备使开发人员能够放宽工厂车间传感器与高级应用程序主机或基于云的资源之间的紧密耦合。通过在边缘运行应用程序,开发人员可以消除往返于云端的往返延迟。因此,开发人员可以实现更快的控制回路,并减少位于关键设备及其运营商附近的用户界面的报告延迟。
当涉及到维护关键操作的可用性时,将外围和云解耦的能力提供了额外的优势。云服务提供商使用影子设备等功能来维护应用程序可用性。影子设备位于云中,是相应外围设备的模型,在正常操作期间跟踪其状态,并在云连接失败时提供设备的表示。
相反,Amazon Web Services(AWS)Greengrass等服务允许边缘设备提供某些基于云的服务(包括机器学习服务)的本地版本。因此,尽管云响应时间甚至可用性发生变化,但是更高级别的服务仍可以在本地继续进行。
在更基本的层面上,边缘设备还可以通过提供多种选项来提高可用性,例如在互联网连接较差或没有互联网的情况下,在偏远地区的窄带蜂窝业务 为了提供有效的IIoT连接的无线选项,蜂窝服务提供商正在迅速部署窄带蜂窝服务,如LTE Cat-M1和NB-IoT。
这些LTE变体专为物联网应用而设计,可提供足够的吞吐量,同时使用与低功耗实现相一致的更简单的协议。诸如Pycom G01和NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20之类的蜂窝收发器模块实现了这些窄带LTE协议,提供了完整的蜂窝子系统,并使用标准串行接口在主机系统(如IIoT网关)中进行简单的硬件集成。
在软件方面,实现也是如此简单。开发人员可以使用Pycom G01的简单MicroPython命令打开蜂窝会话和传输数据。NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20模块提供了一个更简单的软件接口,包括通过共享串行链路传送的几条AT指令。因此,工程师可以在硬件设计或软件开发中增加少量增加的工作量,从而为边缘设备增加蜂窝连接。

结论

IoT和IIoT共享将传感器数据流转换为有用信息的共同目标。然而,对于开发人员而言,显着差异在于基本要求,包括功耗,连接性,设计可靠性和稳健性。
如图所示,通过完成对IoT或IIoT应用程序的独特要求,开发人员可以找到各种解决方案,以满足针对各个领域的应用程序的特定要求。

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