從無線鏈路到微控制器，透析物聯(lián)網和工業(yè)4.0的關鍵技術

 互聯(lián)網的不斷發(fā)展促生了物聯(lián)網和工業(yè)4.0，整個世界仿佛在頃刻之間變得互通互聯(lián)。數萬億的感應器被裝配在數十億的控制器和數百萬的網關之上，通過互聯(lián)網將數據傳送至地球的各個角落。這樣的趨勢凸顯了傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)的不便攜性和不靈活性，通過物聯(lián)網連接網絡與高效率數據運算處理來提升工業(yè)系統(tǒng)作業(yè)效率以及增加工業(yè)生產的附加價值是勢在必行。而這種轉型依賴于一系列技術，從低功率無線協(xié)議到高性能微控制器，不一而足。

低功率的無線鏈路和微控制器

在這些技術中，低功率的無線鏈路和微控制器將作為整個鏈路的核心，起到至關重要的作用。舉例來說，Silicon Labs最新推出了一款Gecko微控制器，采用的便是這種低功耗模式——在接收感應器發(fā)出的信號之后，控制器才會相應地啟動，在發(fā)送數據后會自動關閉。這些微控制器使用3.6V的電池可以作業(yè)10到20年，能夠應用到智能電網電力輸配以及感應器網絡。由于功耗極低，這些設備現(xiàn)在已經可以通過太陽能電池，甚至是周圍環(huán)境中的射頻或熱能來提供能源，無需再使用電池或者電源線。

與此同時，這些設備還需要依賴于物聯(lián)網所采用的各種協(xié)議。2.4GHz ZigBee 網狀網絡現(xiàn)已被廣泛地應用于M2M(機器到機器)領域，使得增加網絡節(jié)點、鏈接至網管設備變得十分便捷，最新版本的ZigBee IP已經升級到了IPv6標準，并支持從網絡上直接接入感應器節(jié)點，從而令使用者可以控制更多的設備。

軟件的力量

軟件是物聯(lián)網的另一個關鍵元素，Wind River已經以因特爾架構處理器為基礎，開發(fā)出了一個完整的軟件開發(fā)環(huán)境，為用戶提供即開即用型元件，以確保物聯(lián)網網關的安全、互聯(lián)，并在統(tǒng)一平臺進行管理。該軟件增加了網管安全以及Lua、Java和OSGi的應用場景，以支持資源受限設備及全功能設備的便攜性、擴展性和重復利用性應用的開發(fā)，同時也對WiFi、藍牙、ZigBee以及其他進程無線協(xié)議提供支持。

與此同時，其他半導體供應商已經與軟件供應商攜手，為用戶提供完整的泛物聯(lián)網解決方案：飛思卡爾半導體公司已經與ARM和甲骨文共同研發(fā)出了一個安全的“one box ”平臺，該平臺結合了端到端軟件以及分層智能網關，為安全的物聯(lián)網服務提供和管理，創(chuàng)造了一個公用的開放的框架。 同時三家公司還合作，對ARM mbed項目節(jié)點的開發(fā)進行簡化。這將使得ARM mbed中的本機硬件抽象層(HAL)，能夠在以ARM為基礎的飛思卡爾Kinetis微控制器上運行甲骨文Java ME Embedded軟件。

云計算也可以用于對此類感應器節(jié)點進行支持。遠程訪問軟件公司LogMeIn 的子公司Xively已經為商用物聯(lián)網研發(fā)出了首款公有云平臺，該公司目前正與Linear Technology合作，加速推出超低功耗云聯(lián)網產品。通過將Linear推出的Dust Networks無線感應器與 Xively旗下的云服務進行集成，該公司可以為開發(fā)人員以及原始設備制造商提供一個高性價比的端到端物聯(lián)網解決方案，通過大規(guī)模的商業(yè)部署及管理可以用于早期的原型設計及確認。

ARM Cortex-M3無線感應器是為IP兼容性而開發(fā)的，采用的是6LoWPAN以及802.15.4e標準協(xié)議，可以提供99.999%以上的數據可靠性以及10年以上的電池壽命，使得在最極端的環(huán)境下部署無線感應器網絡成為可能。一個入門工具包包括應用代碼示例，Xively注冊用戶可以使用這一代碼將DC9000設備與聯(lián)網的計算機進行連接，幫助IP感應器網絡自動注冊為Xively“產品”;而節(jié)點及感應器，可以作為“設備”將數據安全地發(fā)送至用戶的Xively云端。

新技術的興起

還有一些領域的發(fā)展正在“風生水起”：低功率的WiFi目前已經開始使用低數據率和數據快速發(fā)送技術，從而大大延長電池壽命，同時通過大規(guī)模出貨的方式降低了成本。與此同時，藍牙4.0最新標準版中的Bluetooth Low Energy (LE) 應用同樣支持超低功耗網絡連接，其已經在增加消費電子銷量、降低成本等方面顯現(xiàn)成果，而在物聯(lián)網的應用方面，人們的興趣也是日益濃厚。

這種濃厚的興趣還推動了許多新技術的誕生，例如針對物聯(lián)網應用專門研發(fā)的Weightless協(xié)議。所有感應器和控制器都需要連接至網關，而大型芯片公司都準備迎戰(zhàn)這一市場。德州儀器將MAC及以太網物理接口集成到了以ARM為基礎的微控制器上，從而大大簡化了設計。德州儀器最新的設備是首款搭載以太 MAC+PHY以及芯載數據保護及LCD控制器的ARM Cortex-M4控制器，可以顯著節(jié)省主板空間并為聯(lián)網應用——例如家用/建筑自動網關、聯(lián)網人機交互界面(HMI)、網絡感應器網關、安全接入系統(tǒng)及可編程邏輯控制器等——提供支持。集成式CAN及USB提供了高速聯(lián)網性能，使得無縫網關解決方案的創(chuàng)建成為可能， 同時通過10個I2C端口、2個快速而準確的12-bit 模擬數字轉換器(ADC)、兩個正交編碼器借口、三個芯載比較器、外部接口以及先進的脈沖寬度調節(jié)(PWM)輸出接口，推動了照明、感應、動作、現(xiàn)實及切換用傳感器的聚合。

在工業(yè)4.0時代，電子元件商不僅僅要抓住機遇，更要預知機遇。以上提及方面凸顯了一些物聯(lián)網背后的發(fā)展趨勢：越來越具兼容性和支持多種協(xié)議的感應器及設備正在被大量需求，同時，軟件環(huán)境、端到端部署及應用開發(fā)也正顯現(xiàn)自己的一席之地。這種趨勢將會進一步刺激其研發(fā)及出貨量的增長，同時降低成本。想要追趕工業(yè)4.0“洪流”的企業(yè)應當多加留意。