工业物联网的关键技术与难点,及其发展现状

工业物联网主要包括环保检测及能源管理、工业安全生产管理、制造业供应链管理和生产过程工艺优化等领域。本文主要分析工业物联网的关键技术与难点,及其发展现状。

物联网是由传感设备、终端、信息处理中心和用户组成的网络。现在物联网技术已经从实验室阶段走向实际应用,比如智能电网、机场安保和物流等领域已经出现了它的身影。而工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节,可大幅提高制造效率、改善产品质量、降低产品成本和资源消耗将传统工业提升到智能工业的新阶段。

当前,我们正处在一个计算无处不在的时代,计算和通信技术日趋成熟,越来越多的设备,甚至物体开始变得智能,并通过与后端云计算大数据分析相连,将我们带入一个物联网的新世界。而工业物联网正式其中的一个重要分支,它将在应对社会发展最紧迫的挑战中发挥关键作用,比如空气污染、食品安全、智能交通、远程医疗、信息化教育等。

物联网目前处于密集评估和迅速采用阶段。大多数主要IT、企业软件、设备、半导体及服务公司都已经拥有设计物联网的产品。与广义物联网一样,工业物联网涉及的关键技术问题包括传感器技术、RFID标签技术、嵌入式系统技术、网络传输技术,以及网关技术等等。就半导体供应商而言,这是一个大好机会,因为智能化、通信、感测、自主运行,以及环保都是物联网的关键属性,而这些属性归根结底会转化成对微处理器、无线组件、传感器、电源管理等嵌入式技术的多种需求。

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图1:Nordic Semiconductor战术营销经理John Leonard。

传感技术RFID技术新趋势

在物联网中,首先需要获得现实世界的各种数据,而这就需要传感技术和射频识别技术的支持。传感技术在不断地更新与变化中,越来越多的智能技术被用在传感器上,网络技术也已开始与传感器紧密结合,比如Bluetooth Smart技术。Nordic Semiconductor战术营销经理John Leonard就表示,Nordic半导体的nRF51系列SoC是用于物联网端点的理想解决方案,这些组件不仅支持Bluetooth Smart,还支持 ANT+ (来自Nordic Semiconductor长期设计合作伙伴Dynastream Innovations的RF协议) 以及Nordic专有的2.4GHz协议。他强调,nRF51系列SoC在单一芯片上结合了功能强大的32位ARM Cortex-M0、多协议2.4GHz无线电和闪存。Nordic 芯片在单一器件上结合了物联网连接性和运行应用程序的计算能力,这些芯片都经过特别设计具有极高的功效,而nRF51系列器件具有独特的软件架构,由于应用代码和协议软件是清楚分开的,因此,可以在最小的风险下方便地快速开发应用。

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图2:HID Global大中华区营销总监赵建邦。

另外射频识别(RFID)也是一项比较重要的技术,在RFID系统中,标签有可能预先被嵌入人们日常生活的任何物品中,通过对嵌入的电子标签扫描、定位和追踪,从而能追踪物品的状态,包括产地、生产日期、原始方式、材料、真假等。在HID Global大中华区营销总监赵建邦看来,RFID电子标签技术是能够让物品自我介绍的一种技术。它可通过贴在物品上的特定标签来采集物品的信息,并通过无线数据通信网络,把信息自动传输到中央信息系统,实现物品的识别,进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享,实现对物品的“透明”管理。

赵建邦表示,HID Global可提供门禁和计算机桌面登陆、认证及证卡管理、卡片打印及个人化服务、访客管理系统、安全政府ID,以及工业及物流的应用。对于RFID的应用,他举例说,“HID Global曾经为澳大利亚海关与边境保护提供的一组定制RFID标签解决方案。我们为澳大利亚海关与边境保护署的所有工作地点部署了尖端的资产跟踪系统,其中包括为每一个部门的每一个武器和每一项关键资产安装标签。这样通过这个系统,可以实时查看所有在用资产和库存资产,实时获悉相关设备及武器等所在地点及使用状态,总部也能根据最新信息做出重要决策。新系统保障了他们在履行职责时,得到适当的设备,而且该设备工作正常。此外,该系统还可降低武器被盗或改造的风险。”

他还进一步指出,该组解决方案采用的标签具有如下几个特点,确保了整个系统的安全可靠:抵抗冲击和振动,例如步枪突击或肢体冲突;不受有害物质的侵蚀,包括盐水或化学试剂;以隐蔽和不显眼的方式安装,防止被探测或篡改;保持数据完整性和高性能,确保系统的准确性。HID Global的Logi Tag系列标签适用于需要抵抗机械力、化学腐蚀和极端温度影响的环境,而HID Global的IN Tag系列则提供了坚固的、适用于严酷环境的标签解决方案。

工业物联网开启了将大量由不同自动化系统生成的数据移至云端的趋势,以便进行高级数据分析,用于机器诊断、预防性维护以及工业过程优化。随着自动化系统,及其相关的传感器/传感器网关连接至云端,半导体器件的用量将会大幅增多。将有不同的器件用于实现连通性,这包括传统的现场总线、以太网,以及无线射频方式。

各种各样的机器和设备正变得越来越智能化,并且需要网络连接。对此,Vitesse公司技术与战略副总裁和首席技术官Martin Nuss 博士认为,这种连接最终都会通过以太网技术来实现。他说,“这给Vitesse这样提供标准化的低功耗、窄带到中等带宽容量和工业级温度范围以太网解决方案的半导体公司带来了机会。”

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图3:Vitesse公司技术与战略副总裁和首席技术官Martin Nuss 博士。

Martin Nuss 博士表示,物联网络正在经历快速的成长与蜕变,并且像先于他们的运营商网络一样,正在向千兆位以太网(GE)迁移。目前针对工业物联网不同的应用场景,Vitesse都有相应的产品。例如在高能效以太网方面,EcoEthernet 2.0通过支持多种EEE PHY,在带有活跃链接的闲置时期内显著地降低了功耗,与全数据速率的1000BASE-T相比,可实现能耗降低高达85%;在安全性方面,Intellisec是一种Layer-2 IEEE802.1AE MACSec加密技术,提供了一种低成本、低功耗和易于扩展的网络级安全机制;另外,同步对于物联网网络去确保所连接的设备在进行数据采集和系统控制时具有精确的时钟至关重要的。Vitesse的VeriTime是业界事实精确度最高的IEEE 1588v2 Precision Time Protocol高精度时间同步协议的实现产品,可用于纳秒级精度的网络授时和同步,它是一种经过现场验证的、可满足物联网网络确定性要求的时间同步解决方案。

以太网中的确定性是工业物联网的关键要求。这些系统需要具有可预测性和一致性,更重要的是它们需要同步,因此关键是授时。Martin Nuss 博士举例说,“在诸如高速包装这样的高速生产线中,你会发现数百个电机需要紧密地同步。对于任何高速生产线通常都如此,各种事件需要亚微秒级的精确同步。即使有一个电机不同步,整条生产线系统都会进入灾难。”

他同时强调,IEEE 1588精密时间协议(1588或PTP)对于实现高确定性以太网非常关键。如果不知道时间,就不能确认一个数据包是否已被准时交付。为了实现1588时间同步,需要发送带时间戳的数据包,以及一个大的主时钟来将一个时间戳放置到1588数据包中,该1588数据包也是一个以太网数据包。由于数据包通过网络传输,主从时钟之间的双向握手通讯协议确定了时间。

另外,Martin Nuss 博士认为功率效率在工业物联网中也非常关键。因为更低的功率,通常意味着更低的成本。在许多工业应用中都需要密封罩,以便它们可以在诸如高热、湿气、灰尘或甚至水下等恶劣的环境条件下运行。拥有更高能效的芯片可以降低成本,并且可以更容易地为这些环境构建解决方案。

对于低功耗这一点,凌力尔特公司Dust Networks产品部总裁Joy Weisss也非常认同,她表示,凌力尔特始终处于为低功耗而优化的电源管理产品开发前沿,其中包括利用收集的能量作为电源。其在工业物联网中一个成功的例子是,随着工业过程市场上无线传感器及仪表联网的兴起,Dust Networks的SmartMesh Wireless HART无线网格网络成为了大多数生产Wireless HART传感器和网关的主要仪表制造商的首选。

在无线传输方面,ADI针对物联网新近推出了AD9361无线收发模拟前端。AD9361是一款高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体,集成频率合成器,为处理器提供可配置数字接口,从而简化设计导入。AD9361工作频率范围为70 MHz至6.0 GHz,涵盖大部分特许执照和免执照频段,支持的通道带宽范围为不到200 kHz至56 MHz。该器件可以用于small cell/Femtocell等微基站的设计。便于安装调试以实现工厂自动化。

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图4:Maxim Integrated工业应用市场专家Suhel Dhanani

 

对于智能化工厂的产品主要在工业组网上。ADI可提供从4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多种工业通讯协议的芯片,可以支持隔离与非隔离、工业温度范围、含DC-DC隔离电源等技术;还有一些支持短距离无线通讯技术,提供高性能的、可涵盖不同频段的射频芯片;另外对于工业以太网技术,ADI也在新的处理器中加以考虑。这些芯片都给工业组网带来很大的便利。例如,ADM2582/2587带隔离电源的集成RS-485接口芯片,ADM3052/3053带隔离电源的CAN接口芯片,等可方便用于工业网络。

当然,在工业物联网的数据传输过程中,不仅包括以太网、无线射频等技术,也包括通过新型传感器接口标准(如IO-Link),以及广泛布设的现场总线标准所进行的连通。Maxim Integrated工业应用市场专家Suhel Dhanani表示,Maxim提供独特的方案,能够很好地应对工业物联网面临的连通性和嵌入式安全方面的关键挑战。我们拥有最大的可靠收发器PHY产品线,支持各种现场总线标准(如Profibus),以及发展迅猛的传感器标准(如IO-Link)。他说,“我们的IO-Link方案具有先发优势,在数字传感器这一持续增长的领域拥有较广的市场接受度。我们还提供面向数字I/O卡的接口产品,允许采用一个集成器件应对8通道I/O;此外,还有完备的模拟信号调理器产品线,这类器件在传感器和模拟I/O模块中的布设数量呈上升趋势。”

他还指出,在嵌入式安全领域,Maxim在POS金融终端和ATM设备相关的嵌入式安全方面拥有领先优势。这一技术也被应用于需要在硬件层面进行保护的工业系统。这些产品的范围从低成本认证引擎到能够进行工业标准加密算法处理的先进的安全微处理器。

随着系统供应商将工业数据移至云端,使用工业物联网以优化控制、实现差异化诊断——对可靠通信、精确测量以及嵌入式安全产品的需求将增大。Maxim在上述三个应用均投入了巨大的精力,该公司正在开发新一代、支持多通道的集成I/O Link器件;精度更高、功耗更低的数据转换器;具有最新工业标准认证/加密算法的防篡改嵌入式安全产品。

物联网时代是一个计算无处不在的新时代,每个设备、每个物体都将具备计算能力,基于半导体的集成计算解决方案将在拥抱物联网方面继续发挥关键作用,并将想尺寸更小、运行速度更快、功能更灵活、产量更大的方向演化。而开放、开源的战略,亦将有利于生态系统的构建。英特尔中国区嵌入式事业部总监曾明表示,英特尔的物联网核心策略是通过开发包括Quark、凌动、酷睿、至强在内的多种计算平台,提供与之配套的软件解决方案,为更多的设备类别注入智能,实现端到端的分析能力,并借助智能网关将传统设备连接至云,以促进原本孤立的系统转为互连设备,突破“信息孤岛效应”,从大数据中挖掘商业价值,不管是在零售、交通、安防、工厂自动化,还是可穿戴领域,都能提供“端到端”解决方案的开发和部署。

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图5:英特尔中国区嵌入式事业部总监曾明。

据曾明介绍,英特尔依次从“物”、“平台”、“数据分析”和“生态系统”四个层次,对物联网提供全面支持:

首先,凭借全新英特尔凌动处理器E3800系列、Quark系统芯片X1000以及Edison计算平台,英特尔的计算触角得以延伸进入从工业物联网到可穿戴设备等日益增长的细分市场。

其次是平台层面,网关其实是非常重要的器件,英特尔推出了软件和硬件整合的网关系列,由英特尔芯片和风河软件、迈克菲软件整合起来的解决方案,帮助在既有系统与新系统之间建立连接的通用接口,支持网络提供商和服务提供商在通用平台上设计网络,使行业物联网的方案更快落地。

此外,英特尔提供垂直的端到端和分布式分析能力,使设备与设备、终端系统与数据中心、数据分析与移动终端之间互联互通,继而将物联网产生的小数据汇聚成为大数据,并使之通过过滤、分析、分享,最终变成可用的信息。

最后,英特尔将通过跟中国本地合作伙伴协同合作,开启更多创新、建立生态链,群策群力共同解决民生难题。2014年深圳英特尔信息技术峰会(IDF)上,公司宣布了首家英特尔智能设备创新中心落户深圳,并设立总额1亿美元的“英特尔投资中国智能设备创新基金”,就是要支持物联网等智能互联技术创新生态圈的发展。虽然工业物联网的前景被广大公司一致看好,但面临的问题其实也不少,当然不同的公司处在不同的位置,会有不同的感受。Joy Weiss认为工业市场非常保守,新产品和新技术在得到广泛采用之前,一定要实现水准非常高的可靠性才行。而Suhel Dhanani觉得,“工业物联网益处颇多,但需要前期成本投入。成本来自于在所有现场设备中实现连通,管理工业环境中常见的多种不同标准。必须说服客户,使之确信未来所获得的收益是值得前期网络开发成本投入的。因为你可以从世界任何地方均可获取工厂数据,以及利用大数据算法进行过程优化和诊断。另一个瓶颈在于更多的人认识到物联网会削弱对安全漏洞,恶意攻击,甚至是剽窃生产IP/技术诀窍的抵抗力。”

网络通信技术的发展将会促进工业控制的智能化发展,因为网络通信技术可以将工业控制整合成一个系统,可以在优化的控制系统中实现智能化,也可以很容易将各个分立的子系统及节点连接成大的系统。ADI市场经理张鹏指出,在工业联网技术领域当中,软件技术的发展面临巨大挑战,因为真正双向的通信、智能传感及智能通信,都需要高可靠性的软件来支撑,针对不同的控制对象也需要更多专业化与定制的软件;另外,针对于工业应用复杂的现场及特定的条件,高温、高可靠性、需要隔离的器件也需要更多的新技术去支撑。

工业物联网的发展即使在国外市场,目前也还没有看到大规模的应用范例和成熟的商业模式。在曾明看来,这主要是由于缺乏工业物联网发展规范和技术标准的指引造成的。工业物联网将是一个多设备、多网络、多应用、互联互通、互相融合的大网。在工业物联网建设中,传感器、接口标准、通信协议, 管理协议等方面都需要国家标准的指引,才能整合和节约资源,降低成本。他指出,“工业物联网要得到大发展,就需要破除跨行业的壁垒。工业物联网将推动传统工业的信息化改造,实现行业信息化、部门信息化,从而推动社会整体的信息化。信息的共享和信息服务,就意味着要破除跨行业间的壁垒,建立新的共享与协同型的管理体系和生产流程。”

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