‧ 工業物聯網的關鍵技術與難點，及其發展現狀

來源:物聯網線上 作者:Ioter 工業物聯網主要包括環保檢測及能源管理、工業安全生產管理、製造業供應鏈管理和生產過程製程優化等領域。本文主要分析工業物聯網的關鍵技術與難點，及其發展現狀。 物聯網是由傳感設備、終端、資訊處理中心和使用者組成的網路。現在物聯網技術已經從實驗室階段走向實際應用，比如智慧電網、機場安全和物流等領域已經出現了它的身影。而工業是物聯網應用的重要領域。具有環境感知能力的各類終端、基於泛在技術的運算模式、行動通信等不斷融入到工業生產的各個環節，可大幅提高製造效率、改善產品品質、降低產品成本和資源消耗將傳統工業提升到智慧工業的新階段。 當前，我們正處在一個運算無處不在的時代，運算和通信技術日趨成熟，越來越多的設備，甚至物體開始變得智慧，並通過與後端雲端運算、大數據分析相連，將我們帶入一個物聯網的新世界。而工業物聯網正式其中的一個重要分支，它將在應對社會發展最緊迫的挑戰中發揮關鍵作用，比如空氣污染、食品安全、智慧交通、遠端醫療、資訊化教育等。 物聯網目前處於密集評估和迅速採用階段。大多數主要IT、企業軟體、設備、半導體及服務公司都已經擁有設計物聯網的產品。與廣義物聯網一樣，工業物聯網涉及的關鍵技術問題包括感測器技術、RFID標籤技術、嵌入式系統技術、網路傳輸技術，以及閘道技術等等。就半導體供應商而言，這是一個大好機會，因為智慧化、通信、感測、自主運行，以及環保都是物聯網的關鍵屬性，而這些屬性歸根結底會轉化成對微處理器、無線元件、感測器、電源管理等嵌入式技術的多種需求。 圖1：Nordic Semiconductor戰術行銷經理John Leonard。 傳感技術和RFID技術新趨勢 在物聯網中，首先需要獲得現實世界的各種資料，而這就需要傳感技術和射頻辨識技術的支援。傳感技術在不斷地更新與變化中，越來越多的智慧技術被用在感測器上，網路技術也已開始與感測器緊密結合，比如Bluetooth技術。 Nordic Semiconductor戰術行銷經理John Leonard就表示，Nordic半導體的nRF51系列SoC是用於物聯網端點的理想解決方案，這些組件不僅支援Bluetooth Smart，還支持 ANT+ (來自Nordic Semiconductor長期設計合作夥伴Dynastream Innovations的RF協議) 以及Nordic專有的2.4GHz協議。他強調，nRF51系列SoC在單一晶片上結合了功能強大的32位ARM Cortex-M0、多協議2.4GHz無線電和快閃記憶體。Nordic 晶片在單一器件上結合了物聯網連線性和運行應用程式的運算能力，這些晶片都經過特別設計具有極高的功效，而nRF51系列器件具有獨特的軟體架構，由於應用代碼和協定軟體是清楚分開的，因此，可以在最小的風險下方便地快速開發應用。 圖2：HID Global大中華區行銷總監趙建邦。 另外射頻辨識(RFID)也是一項比較重要的技術，在RFID系統中，標籤有可能預先被嵌入人們日常生活的任何物品中，通過對嵌入的電子標籤掃描、定位和追蹤，從而能追蹤物品的狀態，包括產地、生產日期、原始方式、材料、真假等。在HID Global大中華區行銷總監趙建邦看來，RFID電子標籤技術是能夠讓物品自我介紹的一種技術。它可通過貼在物品上的特定標籤來採集物品的資訊，並通過無線資料通信網路，把資訊自動傳輸到中央資訊系統，實現物品的辨識，進而通過開放性的電腦網路實現資訊交換和共用，實現對物品的“透明”管理。 趙建邦表示，HID Global可提供門禁和電腦桌面登陸、認證及證卡管理、卡片列印及個人化服務、訪客管理系統、安全政府ID，以及工業及物流的應用。對於RFID的應用，他舉例說，“HID Global曾經為澳洲海關與邊境保護提供的一組定制RFID標籤解決方案。我們為澳洲海關與邊境保護署的所有工作地點部署了尖端的資產跟蹤系統，其中包括為每一個部門的每一個武器和每一項關鍵資產安裝標籤。這樣通過這個系統，可以即時查看所有在用資產和庫存資產，即時獲悉相關設備及武器等所在地點及使用狀態，總部也能根據最新資訊做出重要決策。新系統保障了他們在履行職責時，得到適當的設備，而且該設備工作正常。此外，該系統還可降低武器被盜或改造的風險。” 他還進一步指出，該組解決方案採用的標籤具有如下幾個特點，確保了整個系統的安全可靠：抵抗衝擊和振動，例如步槍突擊或肢體衝突；不受有害物質的侵蝕，包括鹽水或化學試劑；以隱蔽和不顯眼的方式安裝，防止被探測或篡改；保持資料完整性和高性能，確保系統的準確性。HID Global的Logi Tag系列標籤適用於需要抵抗機械力、化學腐蝕和極端溫度影響的環境，而HID Global的IN Tag系列則提供了堅固的、適用於嚴酷環境的標籤解決方案。 工業物聯網開啟了將大量由不同自動化系統生成的資料移至雲端的趨勢，以便進行高級資料分析，用於機器診斷、預防性維護以及工業過程優化。隨著自動化系統，及其相關的感測器/感測器閘道連接至雲端，半導體器件的用量將會大幅增多。將有不同的器件用於實現連通性，這包括傳統的現場匯流排、乙太網，以及無線射頻方式。 各種各樣的機器和設備正變得越來越智慧化，並且需要網路連接。對此，Vitesse公司技術與戰略副總裁和首席技術官Martin Nuss 博士認為，這種連接最終都會通過乙太網技術來實現。他說，“這給Vitesse這樣提供標準化的低功耗、窄帶到中等頻寬容量和工業級溫度範圍乙太網解決方案的半導體公司帶來了機會。” 圖3：Vitesse公司技術與戰略副總裁和首席技術官Martin Nuss 博士。 Martin Nuss 博士表示，物聯網路正在經歷快速的成長與蛻變，並且像先於他們的運營商網路一樣，正在向十億位元乙太網(GE)遷移。目前針對工業物聯網不同的應用場景，Vitesse都有相應的產品。例如在高能效乙太網方面，EcoEthernet 2.0通過支持多種EEE PHY，在帶有活躍連結的閒置時期內顯著地降低了功耗，與全數據速率的1000BASE-T相比，可實現能耗降低高達85%；在安全性方面，Intellisec是一種Layer-2 IEEE802.1AE MACSec加密技術，提供了一種低成本、低功耗和易於擴展的網路級安全機制；另外，同步對於物聯網網路去確保所連接的設備在進行資料獲取和系統控制時具有精確的時鐘至關重要的。Vitesse的VeriTime是業界事實精確度最高的IEEE 1588v2 Precision Time Protocol高精度時間同步協定的實現產品，可用於奈米級精度的網路授時和同步，它是一種經過現場驗證的、可滿足物聯網網路確定性要求的時間同步解決方案。 乙太網中的確定性是工業物聯網的關鍵要求。這些系統需要具有可預測性和一致性，更重要的是它們需要同步，因此關鍵是授時。Martin Nuss 博士舉例說，“在諸如高速包裝這樣的高速生產線中，你會發現數百個電機需要緊密地同步。對於任何高速生產線通常都如此，各種事件需要亞微秒級的精確同步。即使有一個電機不同步，整條生產線系統都會進入災難。” 他同時強調，IEEE 1588精密時間協議(1588或PTP)對於實現高確定性乙太網非常關鍵。如果不知道時間，就不能確認一個資料包是否已被準時交付。為了實現1588時間同步，需要發送帶時間戳記的資料包，以及一個大的主時鐘來將一個時間戳記放置到1588資料包中，該1588資料包也是一個乙太網資料包。由於資料包通過網路傳輸，主從時鐘之間的雙向握手通訊協定確定了時間。 另外，Martin Nuss 博士認為功率效率在工業物聯網中也非常關鍵。因為更低的功率，通常意味著更低的成本。在許多工業應用中都需要密封罩，以便它們可以在諸如高熱、濕氣、灰塵或甚至水下等惡劣的環境條件下運行。擁有更高能效的晶片可以降低成本，並且可以更容易地為這些環境構建解決方案。 對於低功耗這一點，淩力爾特公司Dust Networks產品部總裁Joy Weisss也非常認同，她表示，淩力爾特始終處於為低功耗而優化的電源管理產品開發前沿，其中包括利用收集的能量作為電源。其在工業物聯網中一個成功的例子是，隨著工業過程市場上無線感測器及儀錶聯網的興起，Dust Networks的SmartMesh Wireless HART無線網格網路成為了大多數生產Wireless HART感測器和閘道的主要儀錶製造商的首選。 在無線傳輸方面，ADI針對物聯網新近推出了AD9361無線收發模擬前端。AD9361是一款高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷變收發器。該器件的可程式設計性和寬頻能力使其成為多種收發器應用的理想選擇。該器件集RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供可配置數位介面，從而簡化設計導入。AD9361工作頻率範圍為70 MHz至6.0 GHz，涵蓋大部分特許執照和免執照頻段，支持的通道頻寬範圍為不到200 kHz至56 MHz。該器件可以用於small cell/Femtocell等微基站的設計。便於安裝調試以實現工廠自動化。 圖4：Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani 對於智慧化工廠的產品主要在工業組網上。ADI可提供從4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多種工業通訊協定的晶片，可以支援隔離與非隔離、工業溫度範圍、含DC-DC隔離電源等技術；還有一些支持短距離無線通訊技術，提供高性能的、可涵蓋不同頻段的射頻晶片；另外對於工業乙太網技術，ADI也在新的處理器中加以考慮。這些晶片都給工業組網帶來很大的便利。例如，ADM2582/2587帶隔離電源的集成RS-485介面晶片，ADM3052/3053帶隔離電源的CAN介面晶片，等可方便用於工業網路。 當然，在工業物聯網的資料傳輸過程中，不僅包括乙太網、無線射頻等技術，也包括通過新型感測器介面標準(如IO-Link)，以及廣泛佈設的現場匯流排標準所進行的連通。Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani表示，Maxim提供獨特的方案，能夠很好地應對工業物聯網面臨的連通性和嵌入式安全方面的關鍵挑戰。 我們擁有最大的可靠收發器PHY產品線，支援各種現場匯流排標準(如Profibus)，以及發展迅猛的感測器標準(如IO-Link)。他說，“我們的IO-Link方案具有先發優勢，在數字感測器這一持續增長的領域擁有較廣的市場接受度。我們還提供面向數位I/O卡的介面產品，允許採用一個集成器件應對8通道I/O；此外，還有完備的類比信號調理器產品線，這類器件在感測器和類比I/O模組中的佈設數量呈上升趨勢。” 他還指出，在嵌入式安全領域，Maxim在POS金融終端和ATM設備相關的嵌入式安全方面擁有領先優勢。這一技術也被應用於需要在硬體層面進行保護的工業系統。這些產品的範圍從低成本認證引擎到能夠進行工業標準加密演算法處理的先進的安全微處理器。 隨著系統供應商將工業資料移至雲端，使用工業物聯網以優化控制、實現差異化診斷——對可靠通信、精確測量以及嵌入式安全產品的需求將增大。Maxim在上述三個應用均投入了巨大的精力，該公司正在開發新一代、支持多通道的集成I/O Link器件；精度更高、功耗更低的資料轉換器；具有最新工業標準認證/加密演算法的防篡改嵌入式安全產品。 物聯網時代是一個 運算無處不在的新時代，每個設備、每個物體都將具備計算能力，基於半導體的集成計算解決方案將在擁抱物聯網方面繼續發揮關鍵作用，並將想尺寸更小、運行速度更快、功能更靈活、產量更大的方向演化。而開放、開源的戰略，亦將有利於生態系統的構建。 英特爾中國區嵌入式事業部總監曾明表示，英特爾的物聯網核心策略是通過開發包括Quark、淩動、酷睿、至強在內的多種運算平台，提供與之配套的軟體解決方案，為更多的設備類別注入智慧，實現端到端的分析能力，並借助智慧閘道將傳統設備連接至雲端，以促進原本孤立的系統轉為互連設備，突破“資訊孤島效應”，從Big Data中挖掘商業價值，不管是在零售、交通、安防、工廠自動化，還是可穿戴領域，都能提供“端到端”解決方案的開發和部署。 圖5：英特爾中國區嵌入式事業部總監曾明。 據曾明介紹，英特爾依次從“物”、“平台”、“資料分析”和“生態系統”四個層次，對物聯網提供全面支援： 首先，憑藉全新英特爾淩動處理器E3800系列、Quark系統晶片X1000以及Edison計算平臺，英特爾的計算觸角得以延伸進入從工業物聯網到可穿戴設備等日益增長的細分市場。 其次是平台層面，閘道其實是非常重要的器件，英特爾推出了軟體和硬體整合的閘道系列，由英特爾晶片和風河軟體、邁克菲軟體整合起來的解決方案，説明在既有系統與新系統之間建立連接的通用介面，支援網路提供商和服務提供者在通用平台上設計網路，使行業物聯網的方案更快落地。 此外，英特爾提供垂直的端到端和分散式分析能力，使設備與設備、終端系統與資料中心、資料分析與行動終端之間互聯互通，繼而將物聯網產生的小資料彙聚成為Big Data，並使之通過過濾、分析、分享，最終變成可用的資訊。 最後，英特爾將通過跟中國本地合作夥伴協同合作，開啟更多創新、建立生態鏈，群策群力共同解決民生難題。2014年深圳英特爾資訊技術峰會(IDF)上，公司宣佈了首家英特爾智慧設備創新中心落戶深圳，並設立總額1億美元的“英特爾投資中國智慧設備創新基金”，就是要支援物聯網等智慧互聯技術創新生態圈的發展。 雖然工業物聯網的前景被廣大公司一致看好，但面臨的問題其實也不少，當然不同的公司處在不同的位置，會有不同的感受。Joy Weiss認為工業市場非常保守，新產品和新技術在得到廣泛採用之前，一定要實現水準非常高的可靠性才行。而Suhel Dhanani覺得，“工業物聯網益處頗多，但需要前期成本投入。 成本來自於在所有現場設備中實現連通，管理工業環境中常見的多種不同標準。必須說服客戶，使之確信未來所獲得的收益是值得前期網路開發成本投入的。因為你可以從世界任何地方均可獲取工廠資料，以及利用Big Data演算法進行過程優化和診斷。另一個瓶頸在於更多的人認識到物聯網會削弱對安全性漏洞，惡意攻擊，甚至是剽竊生產IP/技術訣竅的抵抗力。” 網路通信技術的發展將會促進工業控制的智慧化發展，因為網路通信技術可以將工業控制整合成一個系統，可以在優化的控制系統中實現智慧化，也可以很容易將各個分立的子系統及節點連接成大的系統。 ADI市場經理張鵬指出，在工業聯網技術領域當中，軟體技術的發展面臨巨大挑戰，因為真正雙向的通信、智慧傳感及智慧通信，都需要高可靠性的軟體來支撐，針對不同的控制物件也需要更多專業化與定制的軟體；另外，針對於工業應用複雜的現場及特定的條件，高溫、高可靠性、需要隔離的器件也需要更多的新技術去支撐。 工業物聯網的發展即使在國際市場，目前也還沒有看到大規模的應用範例和成熟的商業模式。在曾明看來，這主要是由於缺乏工業物聯網發展規範和技術標準的指引造成的。工業物聯網將是一個多設備、多網路、多應用、互聯互通、互相融合的大網。 在工業物聯網建設中，感測器、介面標準、通信協定, 管理協定等方面都需要國家標準的指引，才能整合和節約資源，降低成本。他指出，“工業物聯網要得到大發展，就需要破除跨行業的壁壘。工業物聯網將推動傳統工業的資訊化改造，實現行業資訊化、部門資訊化，從而推動社會整體的資訊化。資訊的共用和資訊服務，就意味著要破除跨行業間的壁壘，建立新的共用與協同型的管理體系和生產流程。”