【導(dǎo)讀】在過去的十年里，我們的社會變得越來越依賴電子與通信技術(shù)。通過將這些物品或“物”嵌入在電子產(chǎn)品、軟件和傳感器中并利用連接技術(shù)將其聯(lián)在一起，便構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。物聯(lián)網(wǎng)概念由技術(shù)先驅(qū)Kevin Ashton于1999年提出，指人、機器和基礎(chǔ)設(shè)施之間連接技術(shù)的發(fā)展將提升智能、業(yè)務(wù)洞察力、效率和創(chuàng)新水平。
IoT潛力巨大，將給我們的生活帶來深遠的影響。國家儀器的客戶在開發(fā)、部署和優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)核心部件（如消費類/工業(yè)產(chǎn)品與系統(tǒng)）以及將這些產(chǎn)品與系統(tǒng)連接在一起的有線和無線基礎(chǔ)設(shè)施方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
國家儀器和賽靈思長達十多年的技術(shù)合作推出了眾多強大工具，助力工程師和科研人員開拓創(chuàng)新、重塑世界。從NI FlexRIO模塊到CompactRIO控制器，以及NI模塊上系統(tǒng)(SoM)和myRIO設(shè)備，國家儀器已經(jīng)在其連續(xù)數(shù)代最先進的產(chǎn)品上采用了賽靈思最新幾代器件。對幫助創(chuàng)新人員使用一體化軟硬件平臺設(shè)計、構(gòu)建和測試這些智能化設(shè)備，國家儀器深感自豪。
圖1 - 智能系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的三大基本支柱：智能邊緣系統(tǒng)、多個系統(tǒng)中的單個系統(tǒng)和端到端分析。設(shè)備將變得越來越智能，并由軟件進行定義。
物聯(lián)網(wǎng)面臨的重重挑戰(zhàn)
據(jù)Gartner公司提供的數(shù)據(jù)來看，2015年估計將有49億聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用，到2020年將增至250億。這些聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的覆蓋范圍廣，從智能工廠的機械設(shè)備、汽車中的高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)，到智能城市中的電網(wǎng)以及有助于延年益壽的保健可穿戴設(shè)備，無所不有。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特征可描述為大量彼此通信，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)分析和行為，以提升工業(yè)績效、造福整個社會的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)系統(tǒng)。
通過傳感器和執(zhí)行器解決復(fù)雜的控制問題，實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界對接的工業(yè)系統(tǒng)，即為常說的信息物理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)正結(jié)合使用大模擬數(shù)據(jù) (Big Analog Data) 解決方案，并通過數(shù)據(jù)和分析掌握更深度信息。試想工業(yè)系統(tǒng)能夠調(diào)整自己的環(huán)境乃至自己的健康狀況。機械設(shè)備不會一直使用到出現(xiàn)故障，而是調(diào)度自己的維護工作，甚至是動態(tài)調(diào)整自己的控制算法以彌補磨損部件，然后將該數(shù)據(jù)通告給其他機器設(shè)備和使用這些機器設(shè)備的操作人員。
在此基礎(chǔ)上，圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域還可以進一步細分為三個部分：智能邊緣（傳感器/執(zhí)行器）、System of Systems(SoS)，以及在滿足時延、同步和可靠性要求的同時支持所有連接和數(shù)據(jù)分析的端對端分析功能。通常，這些智能產(chǎn)品由不同廠商生產(chǎn)，因此所使用的嵌入式處理器、協(xié)議和軟件各不相同。貫穿整個設(shè)計周期直到最終部署過程的產(chǎn)品集成是一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)實現(xiàn)全聯(lián)網(wǎng)的世界需要采用基于平臺的方法。
基于平臺的設(shè)計
基于平臺設(shè)計概念源于形式化建模技術(shù)、明確定義的抽象層次和關(guān)注點分離，以實現(xiàn)有效的設(shè)計流程。所有這些因素對設(shè)計和構(gòu)建IoT系統(tǒng)至關(guān)重要。其旨在為工程師提供合適的抽象層次，以及到其他采用不同軟件語言（或框架）和不同硬件協(xié)議的元件和子系統(tǒng)的連接。在過去四十年里，國家儀器提供了眾多強大靈活的技術(shù)解決方案，助力工程師和科研人員提升生產(chǎn)力、創(chuàng)新及開發(fā)能力。國家儀器大力投資開發(fā)一體化軟硬件平臺，以幫助醫(yī)療保健、汽車、消費類電子、粒子物理等領(lǐng)域的廣大客戶降低設(shè)計復(fù)雜性。
圖2 - NI LabVIEW的可重配置I/O(RIO) 架構(gòu)基于四大組件之上：如處理器、可重配置FPGA、模塊化I/O硬件和圖形設(shè)計軟件。
具體而言，圖2所示的NI LabVIEW可重配置I/O(RIO) 架構(gòu)充分發(fā)揮開放性LabVIEW軟件和商用現(xiàn)成 (COTS) 硬件的優(yōu)勢，為設(shè)計和構(gòu)建IoT系統(tǒng)提供通用架構(gòu)。近期LabVIEW RIO再度融合賽靈思Zynq-7000 All Programmable SoC平臺。這樣通過引入Linux實時操作系統(tǒng)(RTOS)以及采用相同芯片組創(chuàng)建同時覆蓋學術(shù)界和工業(yè)界的平臺，將不斷促進開放性和可擴展性。將LabVIEW RIO架構(gòu)與NI DIAdem和NI InsightCM等技術(shù)結(jié)合用于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)匯聚，客戶可以在整個產(chǎn)品設(shè)計周期中設(shè)計、構(gòu)建和測試IoT設(shè)備，運用通用平臺和架構(gòu)開展預(yù)防性維護工作。
用于醫(yī)療保健的智能邊緣傳感器
物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)正在顯著地影響我們的生活。我們已經(jīng)變得越來越依賴智能電話和平板電腦等個人設(shè)備以及雀巢的恒溫器和飛利浦的Hue燈泡等家用設(shè)備。與此同時，使用智能聯(lián)網(wǎng)傳感器讓患者將數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施進行診斷和預(yù)后判斷的醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)市場板塊，到2020年市值有望達到1,170億美元。保健可穿戴產(chǎn)品和智能手表等設(shè)備剛剛進入市場，研究人員正在積極開發(fā)用于居家康復(fù)乃至智能假肢的技術(shù)。
在這個市場上的Cyberlegs項目是一個由意大利圣安娜高等學校生物機器人研究所的Paolo Dario教授牽頭的歐洲FP-7級項目。該項目的目的是為膝上截肢患者開發(fā)用于下肢功能替換的人工認知系統(tǒng)。其目標是開發(fā)出一種多自由度系統(tǒng)，能夠替換下肢并以其他方式輔助病患。
圖3 - 意大利的Cyberlegs項目已開發(fā)出一套人工識別系統(tǒng)，用以替代下肢并進行康復(fù)訓練。
負責開發(fā)和集成Cyberlegs系統(tǒng)的Nicola Vitiello博士曾廣泛地使用CompactRIO開發(fā)最初的原型和驗證子系統(tǒng)和控制算法，以預(yù)測不同患者的準確行走步態(tài)（見圖3）。在NI SOM中利用Zynq SoC的可擴展性，可顯地縮小所需封裝尺寸和功耗。Vitiello充分利用該平臺的自適應(yīng)性，讓傳感器和執(zhí)行器更具智能，從而為假肢配備了一個可以完全活動的膝蓋。這一發(fā)展讓患者活動更自如一些，比如上下樓梯和上下坡。
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機器對機器(M2M)通信
Gartner估計很快地球上的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量就會超過人類的數(shù)量。到2022年，每個家庭都會擁有超過500個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通信基礎(chǔ)設(shè)施必須能夠處理其產(chǎn)生的35ZB數(shù)據(jù)。隨著新的智能設(shè)備不斷推向市場以及新的通信標準和協(xié)議層出不窮，企業(yè)需要確保采用一種可擴展的框架來設(shè)計這些M2M通信解決方案，并對其進行原型設(shè)計和測試，才能在競爭中始終穩(wěn)居領(lǐng)先地位。
傳統(tǒng)的自動測試設(shè)備 (ATE) 經(jīng)優(yōu)化后，可用來測試遵循了摩爾定律的技術(shù)，而且在這方面它做得非常好。但在過去的幾十年里，發(fā)生了一種微妙的變化，在IC中集成越來越多的模擬技術(shù)，導(dǎo)致測試挑戰(zhàn)遠遠超出摩爾定律范疇。針對IoT的創(chuàng)新要求，測試工程師的任務(wù)包括對混合信號系統(tǒng)（同時包括來自傳感器、RF天線等的數(shù)字和模擬信號）進行驗證，并且要在消費品數(shù)量級上確保盡可能低的價格。面對未來的測試挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)ATE難以應(yīng)付。對于IoT的智能設(shè)備，測試工程師將需要智能ATE。ST-Ericsson就是其中的典范。
ST-Ericsson在智能電話和平板電腦的半導(dǎo)體開發(fā)領(lǐng)域堪稱業(yè)界領(lǐng)先者。它的開發(fā)和測試中心遍及世界各地，并且擁有多個特性描述實驗室，用于測試和驗證公司產(chǎn)品中使用的RF組件和平臺。這些平臺通常內(nèi)置多種無線電，例如GPS、藍牙、3G和4G等。對單個測試設(shè)備，平臺大約需要進行80萬次測量。由于ST-Ericsson開發(fā)的芯片極其復(fù)雜，這不僅要求驗證實驗室擁有能夠支持各種RF標準的高靈活度，而且還具有足夠高的性能來完成非常嚴格的測試。甚至與這些芯片實現(xiàn)接口連接也需要多重標準和定制數(shù)字協(xié)議。傳統(tǒng)的盒式儀器，如RF分析儀、生成器和數(shù)字模式發(fā)生器不但體積大、成本高，而且不夠靈活。
ST-Ericsson的測試工程師已經(jīng)用NI PXI平臺更換了他們的傳統(tǒng)盒式儀器，并選擇使用內(nèi)置 Xilinx Virtex-5 FPGA的NI FlexRIO與各種不同數(shù)字標準進行通信，例如串行外設(shè)接口(SPI)和內(nèi)部集成電路(I2C)等通信。當數(shù)字適配器模塊不可用時，團隊可迅速進行自有開發(fā)，而無需擔心連接PC的后端以及與FPGA的通信。該公司報告稱，總體而言，基于PXI的系統(tǒng)與前代解決方案相比速度快10倍，成本銳降三倍。此外，PXI平臺還可提供能滿足多種數(shù)字和RF標準要求的靈活性。
未來工廠
在飛機制造領(lǐng)域居領(lǐng)先地位的空中客車(Airbus)正在發(fā)起一項旨在推廣新興技術(shù)的研究技術(shù)項目，以進一步加強空中客車公司在制造工藝（手工操作如今仍占主導(dǎo)地位）領(lǐng)域的競爭力?？罩锌蛙嚨?ldquo;未來工廠”意味著廣泛使用基于COTS模塊、具有高度抽象層次的模塊化平臺，如圖4所示。在“未來工廠(Factory of the Future)”中，更智能的工具是提升效率至關(guān)重要的組件。這些智能設(shè)備可與主要的基礎(chǔ)設(shè)施或在本地與操作人員進行通信，但僅在需要的時候提供狀態(tài)感知，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的本地和分布式智能制定實時決策。
圖4 - “未來工廠”將要求具備分布式聯(lián)網(wǎng)處理能力和I/O功能，以便為制造中需要使用的工具和設(shè)備增添智能化的功能。
在生產(chǎn)設(shè)備中，智能工具能夠通過避免使用物理數(shù)據(jù)日志和手冊，幫助簡化生產(chǎn)流程，提高效率。操作人員必須集中精力執(zhí)行自己的作業(yè)任務(wù)，在這個過程中他們需要騰出手來使用合適的工具。大多數(shù)空中客車之前的無紙化項目措施旨在限制紙張使用，或是用平板電腦取代紙張。但他們?nèi)匀辉谑褂帽粍拥?ldquo;死”數(shù)據(jù)。
智能工具提供了一種替代方案，即情景數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的生成和使用是連續(xù)不斷的，換言之就是活的數(shù)據(jù)?？罩锌蛙嚋y試了基于Zynq SoC的NI SOM，作為所有這些智能工具的基礎(chǔ)平臺。使用NI SOM能加快從設(shè)計到原型設(shè)計再到部署的開發(fā)流程。在基于NI SOM上開發(fā)之前，空中客車曾圍繞基于Zynq SoC的CompactRIO控制器 (NI cRIO-9068) 進行了原型設(shè)計，使他們能夠集成來自現(xiàn)有空中客車數(shù)據(jù)庫和開源算法的IP，從而對概念進行迅速驗證。由于能靈活地使用圖形化和文本編程，加上可將第三方開發(fā)成果移植到 Xilinx Zynq SoC和NI Linux RTOS上進行重用，NI SOM為開發(fā)這些工具提供了完美的抽象層次?？罩锌蛙嚬こ處煬F(xiàn)在能將他們在NI SOM上開發(fā)的代碼作為已部署的解決方案進行重用，而不必重新開始整個設(shè)計流程。
空中客車評估了數(shù)種SOM和嵌入式單板計算機(SBC)，發(fā)現(xiàn)沒有能匹敵國家儀器的基于平臺設(shè)計方法和軟硬件集成方法。 空中客車工程師估計，在國家儀器系統(tǒng)設(shè)計方法帶來的生產(chǎn)力的幫助下，尤其是在NI Linux Real-Time和LabVIEW FPGA模塊的幫助下，交付NI SOM所需時間僅為使用其他方法的十分之一。由于NI SOM提供了軟件，因而空中客車能夠更專注于系統(tǒng)主要特性的開發(fā)，如FPGA上的圖像處理。
智能可再生能源
另一項重要的工業(yè)IoT應(yīng)用是可再生能源。隨著化石燃料發(fā)電廠停運，可再生能源的需求迅猛增長。電網(wǎng)運營商發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)覆蓋范圍有限,無法有效處理這些新挑戰(zhàn)或管理他們面臨的新風險。為英國近2,000萬人口供電的輸電系統(tǒng)運營商“英國國家電網(wǎng)公司”正在部署一種先進的可升級電網(wǎng)測量系統(tǒng)，為英國電網(wǎng)的運行狀況提供更高質(zhì)量的運營數(shù)據(jù)。
圖5 - 采用面向智能設(shè)備且具備開放式、可擴展方法的智能電網(wǎng)架構(gòu)可幫助電網(wǎng)工程師迅速響應(yīng)日新月異的測量和控制需求。
與眾多能源提供商一樣，英國國家電網(wǎng)公司面臨的挑戰(zhàn)來自于瞬息萬變的電網(wǎng)。因此公司正專注于開發(fā)靈活的解決方案，以便能夠根據(jù)電網(wǎng)測量的需要和可用數(shù)據(jù)量的演變采用最新軟件進行升級（見圖5）。從各個電網(wǎng)區(qū)域采集可靠的實時數(shù)據(jù)，對盡早發(fā)現(xiàn)問題，避免供電中斷至關(guān)重要。為保持電網(wǎng)一致地運行，運營商必須能從各類測量中采集數(shù)據(jù)，并迅速從這些數(shù)據(jù)中獲得深度信息，以用于監(jiān)控電網(wǎng)的總體健康狀況。 軟件設(shè)計系統(tǒng)可提供定制化測量解決方案，在將來出現(xiàn)新電網(wǎng)現(xiàn)代化挑戰(zhàn)時可進行升級。
為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，英國國家電網(wǎng)采用的平臺構(gòu)建在基于Zynq SoC的CompactRIO系統(tǒng)上。不僅能提供更豐富的測量，同時還能適應(yīng)電網(wǎng)未來數(shù)代的演進發(fā)展需要。這個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)包括136套系統(tǒng)，其中的110套被永久性地安裝在遍布英格蘭和威爾士的變電站中，另外的26套便攜式單元用于根據(jù)需要相應(yīng)提供移動地點覆蓋。完全相同的軟件應(yīng)用可同時運行在兩個版本中，從而能最大限度地減少對系統(tǒng)集成、培訓和技術(shù)支持的影響。英國國家電網(wǎng)公司的工程師采用靈活的開放式軟件設(shè)計儀器，能夠定制用于電網(wǎng)運營的信息，并根據(jù)需求變化輕松進行升級。這一方法在減少所需設(shè)備數(shù)量的同時，還能改善電網(wǎng)監(jiān)測質(zhì)量和可靠性。此外利用CompactRIO提供的先進處理功能，英國國家電網(wǎng)公司能輕松地維護自己的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，讓智能深入電網(wǎng)，把海量原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有用信息，讓英國的大小企業(yè)和千家萬戶燈火通明。
更智能互聯(lián)世界
更智能聯(lián)網(wǎng)世界的構(gòu)思是讓有傳感器和本地處理能力的系統(tǒng)彼此互連，共享信息。這一構(gòu)思正在每個行業(yè)生根發(fā)芽。這些IIoT系統(tǒng)將在全球范圍內(nèi)與用戶相連乃至彼此互連，幫助用戶做出更加明智的決策。開發(fā)和部署這些系統(tǒng)將需要在未來數(shù)十年里進行大量投資。滿足今天和未來需求的唯一途徑就是部署足夠靈活的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能通過基于平臺的方法實現(xiàn)演進發(fā)展和滿足適應(yīng)性需求。在眾多應(yīng)用中部署 Xilinx Zynq SoC等高度靈活的統(tǒng)一硬件架構(gòu)，不僅可顯著簡化硬件，而且還能讓每個新的問題主要通過軟件解決。同樣的原則必須應(yīng)用于軟件工具，以形成強大的軟硬件平臺，從而開發(fā)出統(tǒng)一的解決方案?；谄脚_的有效方法不以軟件或硬件為重點，而是以重本身所包含的創(chuàng)新為重點。
對于每一個人來說，現(xiàn)行的IIoT設(shè)計在業(yè)務(wù)與技術(shù)方面都是一個巨大的商機。全球各地的組織機構(gòu)都在為定義IIoT不懈努力，同時他們也在積極搜集用例，以便能更全面地理解如何才能最高效地實現(xiàn)更多的創(chuàng)新。雖然工程師和科技人員已經(jīng)在IIoT的領(lǐng)先地帶實施系統(tǒng)，但他們?nèi)悦媾R大量的未知領(lǐng)域，還有大量工作在前面等著他們。工程師和科技人員必須開始集中采用基于平臺的方法，通過參與這些可定義未來的工作的機構(gòu)而成為IIoT規(guī)范制定的一份子，從而確保業(yè)務(wù)的重心是創(chuàng)新，而不僅僅是集成。
