搞定传感器整合/联网技术 工业物联网应用开发无往不利

    工业物联网应用千变万化，规格需求各不相同。针对这种少量多样的市场特性，开发者必须采用极为弹性的系统架构来进行应用设计开发，因而促使各种平台化、模组化，且容易在现场进行部署的解决方案大量浮上台面，争夺开发者的青睐。


图1　研华嵌入式运算事业群专案经理汪嘉翔表示，标准化的介面与整合平台，可以有效解决工业物联网设备开发上所遭遇到的种种难题。
工业物联网(IIoT)应用范围遍及各种垂直产业，对产品需求各有不同，本质上属于高度客制化的应用。为了加快产品开发时程，业界正积极发展各种弹性化、标准化的感测器整合及联网解决方案，试图将各种工业物联网应用所需的功能拆解成一个个如同积木般的模组，藉此减少应用整合所需投注的时间及人力资源，强化自身的竞争力。
感测器整合标准化　研华力推M2.com

研华嵌入式运算事业群(ECG)专案经理汪嘉翔(图1)表示，工业物联网是一个多层次的架构(图2)，从最顶层的云端运算服务、大数据分析，中层的各种边缘智慧伺服器(Edge Intelligence Server, EIS)，到最深入作业现场的物联网感测节点，都有非常多技术与平台可供选择。要如何串联起这些功能模组，或依照应用需求快速做出调整，是许多应用开发者共同面临的问题。有鉴于此，研华与众多晶片业者合作，力推M2.com。


图2　工业物联网系统架构图
M2.com本质上一个公开的介面标准，主要锁定无线通讯模组与系统主板的连接应用。包含安谋(ARM)、博世(Bosch)、凌力尔特(Linear)、联发科、高通(Qualcomm)、意法半导体(ST)、Semtech、德州仪器(TI)等晶片业者，都是M2.com介面的支持者。

在通讯技术方面，M2.com模组蓝牙、Wi-Fi、IEEE 802.15.4与多种Sub-1GHz窄频长距离通讯技术，例如LoRA、SIGFOX。在嵌入式作业系统方面，除了可选用安谋提出的mbed嵌入式作业系统外，也可以选用微控制器(MCU)供应商自己开发的即时作业系统(RTOS)。

由于具备广泛而完整的通讯及作业系统支援，因此M2.com其实不只是个介面标准，更是个应用开发平台。开发者可以很轻松地藉由抽换模组来改变应用产品的规格与功能，加快产品开发速度并减少成本。此外，M2.com还具备IoT代理(IoT Agent)跟软体开发套件(SDK)，可以很轻松地让应用产品连上各种云端服务，感测器厂商也可以更快完成系统整合作业。

在产品发展路线图(图3)方面，目前支援Wi-Fi的M2.com模组已经上市，支援LoRa的模组则预计在2016年第四季推出。到2017年上半，研华还将陆续推出支援LTE-M、SIGFOX、Wi-Fi/蓝牙双模的模组，来满足客户的各种应用需求。至于具体应用部分，农业、物件追踪、智慧电表/水表/瓦斯表、智慧城市、智慧家庭与各种工业应用，都是其锁定的市场。


图3　研华M2.com产品发展路线图
FPGA搭配矽智财套件　IIoT应用一网打尽

工业应用一直是现场可编程闸阵列(FPGA)的主要应用市场之一，针对工业市场逐渐导入物联网概念，FPGA大厂赛灵思(Xilinx)也已经做好准备，推出对应的解决方案。


图4　赛灵思亚太区工业医疗市场高级经理罗霖认为，工业物联网产品的系统架构要保持很大的弹性，才能在基本功能之外，添加更多附加价值。
赛灵思亚太区工业医疗市场高级经理罗霖(图4)指出，在工业市场上，MCU与FPGA一直是既竞争又合作的关系。很多基本应用可以靠MCU来实现，但如果要在基本产品之上添加与众不同的附加价值，FPGA就有发挥的空间。

以联网通讯为例，工业通讯市场还可以区分成工业乙太网(Industrial Ethernet)及现场汇流排(Field Bus)两大类，但不管是哪个次领域，基本上都是标准百家争鸣的状态(图5)，即便有些标准有较高的市占率，但领先幅度也不会太大。因此，对应用开发商来说，如何支援各式各样的通讯协定，一直是很大的考验。

更有甚者，在这些工业通讯标准协定中，有部分标准是必须要采用客制化的ASIC来实现的，不能只靠修改韧体。例如西门子(Siemens)主推的PROFINET跟PROFIBUS，就要搭配专用的晶片硬体。这对应用开发商来说，是相当棘手的一件事。


图5　各类工业通讯标准市占率分布图
有鉴于此，赛灵思与矽智财(IP)合作夥伴HMS携手推出Anybus矽智财套件，目前可支援PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、POWERLINK、Modbus TCP等常见工业通讯标准，未来还会不断增加。使用者只要在赛灵思的开发套件中勾选自己想要的通讯标准，设定好相关参数，FPGA就可以支援不同的通讯标准。

针对马达控制(Motor Control)、机器视觉(Machine Vision)等其他工业上的常见应用，赛灵思也推出类似的解决方案架构，藉由简单易用的开发环境来整合各种经过验证的矽智财，协助应用开发商满足不同的弹性、客制化需求。

值得注意的是，在工业应用进入物联网时代后，对于系统的功能安全将会更加重视。因为联网虽然能带来极大的便利与价值，但同样会为系统引进新的风险。

图6是实现系统功能安全的V型模型。每个设计阶段都有对应的功能安全验证，藉此确保系统功能安全无虞。


图6　功能安全设计与验证流程图：V Model
此外，未来实现更强固、可靠的功能安全特性，应用开发商最好使用两套异质架构来处理同一个任务。这不是为了冗余备援(Redundant)，而是要用两套不同的架构的运算结果来互相比对，确认系统功能正常。这点对于绝对不允许出现任何闪失的应用，例如炼油厂、核电厂、轨道运输等，特别有其必要性。

而这也是利用FPGA来开发工业物联网应用一个很大的优势。许多先进的FPGA都具备够大的容量，而且先天上就很适合用来做平行运算，可以同时用不同的算法来彼此校验。


图7　臣纬实业总经理吕志辉认为，设备温度监控是工业物联网里面非常关键的一环。贴附式感测方案将可解决棘手的布建与感测可靠度问题。
感测器深入前线　易安装/高可靠度最关键

就如同感测器在一般消费型物联网中扮演重要角色，在工业物联网里面，感测器也是不可或缺的元素，而且往往跟生命财产的安全息息相关。事实上，根据内政部消防署的统计，2015年台湾发生的火灾中，有超过4成与电气有关。

臣纬实业总经理吕志辉(图7)表示，机电设备无处不在，不管是一般住商大楼还是工业厂房，都一定要有空调、配电等机电系统。不过，机电系统往往也是最容易发生意外事故的地方，因为相关设备的温度往往不低，而且除了维修保养人员定期检视外，这些设备的日常运作状况如何，很少有人会做即时监控。这也是很多重大火警的起火点都在机电室的原因。

现今工厂与大楼供电的高低压配电系统、中央空调、冷热水系统常因施工不当、设备所处环境恶劣或疏于保养等原因酿成大祸。贴附式温度感测器容易安装，又不用破坏设备表面，几乎可以安装在任何设备或管线上，具备很高的布署弹性，是监控设备温度的理想解决方案(图8)。


图8　贴附式温度感测器具备很大的安装弹性，几乎可以应用在任何机电系统跟设备上。
吕志辉进一步说明，在贴附型温度感测设备问世前，要监控设备或管路的温度，最常见的做法分别是用红外线测温枪跟不锈钢温度探棒。但这两种做法各有其问题，红外线测温枪最大的问题在于准确度不够，测温枪跟待测设备的距离、背景环境的温湿度都会影响量测结果，且无法长时间监测；不锈钢温度探棒的应用则有很多限制，例如只能用在液体管线上，而且还要在管线上钻孔才能安装。由于是破坏性探测方法，因此可能会造成其他问题。贴附式温度感测器则没有上述问题，而且感测精准度极高，其误差范围在摄氏0.1度以内。