從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)看極端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的幾點(diǎn)思考

最近ADI發(fā)布了多個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，包括機(jī)場(chǎng)油庫監(jiān)測(cè)、制藥廠用水量監(jiān)測(cè)、山地水量監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體晶圓廠的氣瓶監(jiān)測(cè)等等，這些應(yīng)用幾乎都有自然和電氣環(huán)境惡劣、施工難度大、工程施工對(duì)正常生產(chǎn)不能產(chǎn)生影響等共性。

ADI物聯(lián)網(wǎng)與安全解決方案副總裁Joy Weiss在前不久一次演講中將這種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用稱為極端物聯(lián)網(wǎng)(Extreme IoT)，區(qū)別于我們一般常用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的說法，這個(gè)術(shù)語將這類應(yīng)用做了很好的歸類。因?yàn)檫@類物聯(lián)網(wǎng)具有明顯的特點(diǎn)和要求，從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和系統(tǒng)角度出發(fā)，極端物聯(lián)網(wǎng)要求精密性、魯棒性、安全性和高精度，需要適應(yīng)各種不同的工作條件。

從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例看開

工廠中半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)過程中會(huì)使用特殊氣體，儲(chǔ)氣罐填充數(shù)據(jù)通常利用一種我稱之為“人力網(wǎng)絡(luò)”的辦法來收集，也就是讓人帶著寫字板在工廠里四處走動(dòng)手動(dòng)查看儲(chǔ)罐的填充水平

并記下來，這個(gè)過程成本很高。為了監(jiān)視該工廠中的175個(gè)儲(chǔ)罐，每天需要大約4小時(shí)而且容易出錯(cuò)。若能連續(xù)地、遠(yuǎn)程地做這些事情，不僅省錢而且能避免無計(jì)劃的停工，減少儲(chǔ)罐過早更換所造成的浪費(fèi)。以電子方式提供這些數(shù)據(jù)，晶圓廠操作員便能分析消耗趨勢(shì)，主動(dòng)調(diào)整工廠產(chǎn)能。

下圖可以看到，晶圓廠充滿著各種機(jī)器和管道，有線傳感器的成本會(huì)高到令人難以承受而且在晶圓廠的某些區(qū)域是根本行不通的。為了改造建筑物環(huán)境，無論是半導(dǎo)體晶圓廠還是商業(yè)建筑，或是任何你想引進(jìn)極端物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境，需要無線通信，不只是從通信角度所說的無線通信。事實(shí)上，通信應(yīng)能依靠低成本電池持續(xù)數(shù)年，從而也不需要供電源線。在解決這個(gè)案例的物聯(lián)網(wǎng)通信要求中，ADI采用了在業(yè)界普遍應(yīng)用的Dust

ADI硅谷晶圓廠：對(duì)超過175個(gè)特種氣體鋼瓶密切監(jiān)測(cè)以確保不間斷氣體供應(yīng)。

知道有工業(yè)環(huán)境中存在問題是很重要的信息，而知道為什么有這些問題則是非常重要的洞察力。下面是半導(dǎo)體晶圓廠中的另一實(shí)際例子，如何快速定位電機(jī)中的問題根源，需要能夠精確監(jiān)視電機(jī)內(nèi)部的較小信號(hào)，以便確定系統(tǒng)是否超范圍運(yùn)行。傳感器的尺寸、成本、封裝和功耗也是實(shí)現(xiàn)極端物聯(lián)網(wǎng)的重要因素，具有較寬帶寬和低噪聲的MEMS加速度計(jì)可以測(cè)量較小信號(hào)，這意味著它能更快速、更準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)是否超范圍運(yùn)行。不僅知道電機(jī)是否超范圍，我們還能實(shí)際確定其根源，例如滾珠軸承損壞。

區(qū)別于一般的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，極端物聯(lián)網(wǎng)是這樣的

當(dāng)今社會(huì)越來越重視信息的價(jià)值——獲取事物信息并據(jù)此信息而做出行動(dòng)判斷極具價(jià)值，它會(huì)讓我們的生活和工作變得更有效率、更安全、更環(huán)保、更輕松，但不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)這些要求是不一樣的。她以居家為例，恒溫器的精度或者恒溫器中溫度傳感器的精度，可以偏離一兩度很可能沒人會(huì)注意到，該溫度數(shù)據(jù)送到家里的火爐所需的時(shí)間如果偏離一點(diǎn)點(diǎn)的話，從“系統(tǒng)”角度看，你去衣櫥拿一件毛衣穿上就能解決問題。但如果是在煉油廠，工廠中某一點(diǎn)的溫度或壓力即使變化很小，也可能導(dǎo)致情況從安全變?yōu)槲ｋU(xiǎn)，危及工廠中或附近的人們。此外，生產(chǎn)中斷可能造成數(shù)十萬甚至數(shù)百萬美元的巨額損失，由此可見及時(shí)檢測(cè)微小變化是何等重要。

極端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常要求采用系統(tǒng)化方法來設(shè)計(jì)端到端應(yīng)用，并精心考慮各個(gè)級(jí)別的解決方案，從而在所有時(shí)候都能正常工作，并提供可信賴的、及時(shí)的、精確的信息，這些要求包括在最惡劣的情況下執(zhí)行精密檢測(cè)和測(cè)量，在節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和云端進(jìn)行低功耗信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)安全的端到端連接、嚴(yán)苛的安全考慮。

另外，在很多此類應(yīng)用中，安裝或使用的人員并不了解技術(shù)，他們不是無線專家，不是電子專家，因此設(shè)計(jì)這些復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)，必須從根本上做到易于使用、易于部署、易于調(diào)試，這些都很重要。在工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)4.0現(xiàn)在已經(jīng)風(fēng)靡全球，一般稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。制造商們將互聯(lián)網(wǎng)接入工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，力圖將生產(chǎn)率和靈活性提升到新的層次。為此，我們需要智能傳感器，以及采用安全連接的控制系統(tǒng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是極端物聯(lián)網(wǎng)

危險(xiǎn)環(huán)境司空見慣，電磁干擾也可能是這些應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。此外，通過有線方式為傳感器供電并連接傳感器可能不現(xiàn)實(shí)，例如，給旋轉(zhuǎn)設(shè)備安裝有線傳感器是行不通的，因此無線方案是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0普遍檢測(cè)的關(guān)鍵。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，另一個(gè)重要因素是頻繁需要時(shí)間敏感或帶時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，確定性網(wǎng)絡(luò)支持控制應(yīng)用 ，帶時(shí)間戳的數(shù)據(jù)可以用在算法中，分析整個(gè)工廠中的事件趨勢(shì)，以深化所收集信息的價(jià)值，大家可以去看看時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試臺(tái)，了解有關(guān)這個(gè)概念的更多信息。

但在這些環(huán)境中，安全性不是可以討價(jià)還價(jià)的，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)安全性有非常高的要求，這是半導(dǎo)體制造環(huán)境中的極端物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)際例子。

小結(jié)

如果你在北京的街頭漫步，尋找下一個(gè)吃小吃的地方，你可以利用高德地圖找到，也可以利用肉眼視覺找出哪里可能有旅館，但是若要使農(nóng)作物產(chǎn)量最大且水消耗量最少那么可能需要厘米精度的土質(zhì)監(jiān)測(cè)，以便知道自動(dòng)灌溉設(shè)備需要往哪里灌水。在上面的例子中，盡管環(huán)境非常惡劣，工作環(huán)境宛如金屬的海洋，但此系統(tǒng)的可靠性要求比電信網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)營(yíng)商級(jí)通信要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是極端物聯(lián)網(wǎng)，環(huán)境極端而性能要求“極端”!