【導(dǎo)讀】在過(guò)去的十年里，我們的社會(huì)變得越來(lái)越依賴電子與通信技術(shù)。通過(guò)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(jī)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(lái)深遠(yuǎn)的影響。國(guó)家儀器的客戶在開(kāi)發(fā)、部署和優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)核心部件（如消費(fèi)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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
國(guó)家儀器和賽靈思長(zhǎng)達(dá)十多年的技術(shù)合作推出了眾多強(qiáng)大工具，助力工程師和科研人員開(kāi)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(guó)家儀器已經(jīng)在其連續(xù)數(shù)代最先進(jìn)的產(chǎn)品上采用了賽靈思最新幾代器件。對(duì)幫助創(chuàng)新人員使用一體化軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試這些智能化設(shè)備，國(guó)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(gè)系統(tǒng)中的單個(gè)系統(tǒng)和端到端分析。設(shè)備將變得越來(lái)越智能，并由軟件進(jìn)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(lái)看，2015年估計(jì)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(jī)械設(shè)備、汽車中的高級(jí)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(wú)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(jī)效、造福整個(gè)社會(huì)的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)系統(tǒng)。
通過(guò)傳感器和執(zhí)行器解決復(fù)雜的控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界對(duì)接的工業(yè)系統(tǒng)，即為常說(shuō)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(guò)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(jī)械設(shè)備不會(huì)一直使用到出現(xiàn)故障，而是調(diào)度自己的維護(hù)工作，甚至是動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的控制算法以彌補(bǔ)磨損部件，然后將該數(shù)據(jù)通告給其他機(jī)器設(shè)備和使用這些機(jī)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(jìn)一步細(xì)分為三個(gè)部分：智能邊緣（傳感器/執(zhí)行器）、System of Systems(SoS)，以及在滿足時(shí)延、同步和可靠性要求的同時(shí)支持所有連接和數(shù)據(jù)分析的端對(duì)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(gè)設(shè)計(jì)周期直到最終部署過(guò)程的產(chǎn)品集成是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)全聯(lián)網(wǎng)的世界需要采用基于平臺(tái)的方法。
基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)
基于平臺(tái)設(shè)計(jì)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(diǎn)分離，以實(shí)現(xiàn)有效的設(shè)計(jì)流程。所有這些因素對(duì)設(shè)計(jì)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(yǔ)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(guò)去四十年里，國(guó)家儀器提供了眾多強(qiáng)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(kāi)發(fā)能力。國(guó)家儀器大力投資開(kāi)發(fā)一體化軟硬件平臺(tái)，以幫助醫(yī)療保健、汽車、消費(fèi)類電子、粒子物理等領(lǐng)域的廣大客戶降低設(shè)計(jì)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(jì)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(kāi)放性LabVIEW軟件和商用現(xiàn)成 (COTS) 硬件的優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)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(tái)。這樣通過(guò)引入Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)以及采用相同芯片組創(chuàng)建同時(shí)覆蓋學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的平臺(tái)，將不斷促進(jìn)開(kāi)放性和可擴(kuò)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(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試IoT設(shè)備，運(yùn)用通用平臺(tái)和架構(gòu)開(kāi)展預(yù)防性維護(hù)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(lái)越依賴智能電話和平板電腦等個(gè)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(shí)，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(jìn)行診斷和預(yù)后判斷的醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)板塊，到2020年市值有望達(dá)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(jìn)入市場(chǎng)，研究人員正在積極開(kāi)發(fā)用于居家康復(fù)乃至智能假肢的技術(shù)。
在這個(gè)市場(chǎng)上的Cyberlegs項(xiàng)目是一個(gè)由意大利圣安娜高等學(xué)校生物機(jī)器人研究所的Paolo Dario教授牽頭的歐洲FP-7級(jí)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是為膝上截肢患者開(kāi)發(fā)用于下肢功能替換的人工認(rèn)知系統(tǒng)。其目標(biāo)是開(kāi)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(xiàng)目已開(kāi)發(fā)出一套人工識(shí)別系統(tǒng)，用以替代下肢并進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和集成Cyberlegs系統(tǒng)的Nicola Vitiello博士曾廣泛地使用CompactRIO開(kāi)發(fā)最初的原型和驗(yàn)證子系統(tǒng)和控制算法，以預(yù)測(cè)不同患者的準(zhǔn)確行走步態(tài)（見(jiàn)圖3）。在NI SOM中利用Zynq SoC的可擴(kuò)展性，可顯地縮小所需封裝尺寸和功耗。Vitiello充分利用該平臺(tái)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(gè)可以完全活動(dòng)的膝蓋。這一發(fā)展讓患者活動(dòng)更自如一些，比如上下樓梯和上下坡。
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機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)通信
Gartner估計(jì)很快地球上的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量就會(huì)超過(guò)人類的數(shù)量。到2022年，每個(gè)家庭都會(huì)擁有超過(guò)500個(gè)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(chǎng)以及新的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議層出不窮，企業(yè)需要確保采用一種可擴(kuò)展的框架來(lái)設(shè)計(jì)這些M2M通信解決方案，并對(duì)其進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和測(cè)試，才能在競(jìng)爭(zhēng)中始終穩(wěn)居領(lǐng)先地位。
傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 經(jīng)優(yōu)化后，可用來(lái)測(cè)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(guò)去的幾十年里，發(fā)生了一種微妙的變化，在IC中集成越來(lái)越多的模擬技術(shù)，導(dǎo)致測(cè)試挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出摩爾定律范疇。針對(duì)IoT的創(chuàng)新要求，測(cè)試工程師的任務(wù)包括對(duì)混合信號(hào)系統(tǒng)（同時(shí)包括來(lái)自傳感器、RF天線等的數(shù)字和模擬信號(hào)）進(jìn)行驗(yàn)證，并且要在消費(fèi)品數(shù)量級(jí)上確保盡可能低的價(jià)格。面對(duì)未來(lái)的測(cè)試挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)ATE難以應(yīng)付。對(duì)于IoT的智能設(shè)備，測(cè)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域堪稱業(yè)界領(lǐng)先者。它的開(kāi)發(fā)和測(cè)試中心遍及世界各地，并且擁有多個(gè)特性描述實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)試和驗(yàn)證公司產(chǎn)品中使用的RF組件和平臺(tái)。這些平臺(tái)通常內(nèi)置多種無(wú)線電，例如GPS、藍(lán)牙、3G和4G等。對(duì)單個(gè)測(cè)試設(shè)備，平臺(tái)大約需要進(jìn)行80萬(wàn)次測(cè)量。由于ST-Ericsson開(kāi)發(fā)的芯片極其復(fù)雜，這不僅要求驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室擁有能夠支持各種RF標(biāo)準(zhǔn)的高靈活度，而且還具有足夠高的性能來(lái)完成非常嚴(yán)格的測(cè)試。甚至與這些芯片實(shí)現(xiàn)接口連接也需要多重標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試工程師已經(jīng)用NI PXI平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(dāng)數(shù)字適配器模塊不可用時(shí)，團(tuán)隊(duì)可迅速進(jìn)行自有開(kāi)發(fā)，而無(wú)需擔(dān)心連接PC的后端以及與FPGA的通信。該公司報(bào)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(tái)還可提供能滿足多種數(shù)字和RF標(biāo)準(zhǔn)要求的靈活性。
未來(lái)工廠
在飛機(jī)制造領(lǐng)域居領(lǐng)先地位的空中客車(Airbus)正在發(fā)起一項(xiàng)旨在推廣新興技術(shù)的研究技術(shù)項(xiàng)目，以進(jìn)一步加強(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)力?？罩锌蛙嚨?ldquo;未來(lái)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(tái)，如圖4所示。在“未來(lái)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(jìn)行通信，但僅在需要的時(shí)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(shí)時(shí)決策。
圖4 - “未來(lái)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(guò)避免使用物理數(shù)據(jù)日志和手冊(cè)，幫助簡(jiǎn)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(gè)過(guò)程中他們需要騰出手來(lái)使用合適的工具。大多數(shù)空中客車之前的無(wú)紙化項(xiàng)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?dòng)的“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(cè)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(tái)。使用NI SOM能加快從設(shè)計(jì)到原型設(shè)計(jì)再到部署的開(kāi)發(fā)流程。在基于NI SOM上開(kāi)發(fā)之前，空中客車曾圍繞基于Zynq SoC的CompactRIO控制器 (NI cRIO-9068) 進(jìn)行了原型設(shè)計(jì)，使他們能夠集成來(lái)自現(xiàn)有空中客車數(shù)據(jù)庫(kù)和開(kāi)源算法的IP，從而對(duì)概念進(jìn)行迅速驗(yàn)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(kāi)發(fā)成果移植到 Xilinx Zynq SoC和NI Linux RTOS上進(jìn)行重用，NI SOM為開(kāi)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?cè)贜I SOM上開(kāi)發(fā)的代碼作為已部署的解決方案進(jìn)行重用，而不必重新開(kāi)始整個(gè)設(shè)計(jì)流程。
空中客車評(píng)估了數(shù)種SOM和嵌入式單板計(jì)算機(jī)(SBC)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有能匹敵國(guó)家儀器的基于平臺(tái)設(shè)計(jì)方法和軟硬件集成方法。 空中客車工程師估計(jì)，在國(guó)家儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法帶來(lái)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(shí)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(kāi)發(fā)，如FPGA上的圖像處理。
智能可再生能源
另一項(xiàng)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(yùn)，可再生能源的需求迅猛增長(zhǎng)。電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)覆蓋范圍有限,無(wú)法有效處理這些新挑戰(zhàn)或管理他們面臨的新風(fēng)險(xiǎn)。為英國(guó)近2,000萬(wàn)人口供電的輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商“英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司”正在部署一種先進(jìn)的可升級(jí)電網(wǎng)測(cè)量系統(tǒng)，為英國(guó)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況提供更高質(zhì)量的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。
圖5 - 采用面向智能設(shè)備且具備開(kāi)放式、可擴(kuò)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(cè)量和控制需求。
與眾多能源提供商一樣，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自于瞬息萬(wàn)變的電網(wǎng)。因此公司正專注于開(kāi)發(fā)靈活的解決方案，以便能夠根據(jù)電網(wǎng)測(cè)量的需要和可用數(shù)據(jù)量的演變采用最新軟件進(jìn)行升級(jí)（見(jiàn)圖5）。從各個(gè)電網(wǎng)區(qū)域采集可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免供電中斷至關(guān)重要。為保持電網(wǎng)一致地運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)商必須能從各類測(cè)量中采集數(shù)據(jù)，并迅速?gòu)倪@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(jì)系統(tǒng)可提供定制化測(cè)量解決方案，在將來(lái)出現(xiàn)新電網(wǎng)現(xiàn)代化挑戰(zhàn)時(shí)可進(jìn)行升級(jí)。
為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)采用的平臺(tái)構(gòu)建在基于Zynq SoC的CompactRIO系統(tǒng)上。不僅能提供更豐富的測(cè)量，同時(shí)還能適應(yīng)電網(wǎng)未來(lái)數(shù)代的演進(jìn)發(fā)展需要。這個(gè)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(dòng)地點(diǎn)覆蓋。完全相同的軟件應(yīng)用可同時(shí)運(yùn)行在兩個(gè)版本中，從而能最大限度地減少對(duì)系統(tǒng)集成、培訓(xùn)和技術(shù)支持的影響。英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司的工程師采用靈活的開(kāi)放式軟件設(shè)計(jì)儀器，能夠定制用于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的信息，并根據(jù)需求變化輕松進(jìn)行升級(jí)。這一方法在減少所需設(shè)備數(shù)量的同時(shí)，還能改善電網(wǎng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量和可靠性。此外利用CompactRIO提供的先進(jìn)處理功能，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司能輕松地維護(hù)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(guó)的大小企業(yè)和千家萬(wàn)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(gè)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(kāi)發(fā)和部署這些系統(tǒng)將需要在未來(lái)數(shù)十年里進(jìn)行大量投資。滿足今天和未來(lái)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(guò)基于平臺(tái)的方法實(shí)現(xiàn)演進(jìn)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(jiǎn)化硬件，而且還能讓每個(gè)新的問(wèn)題主要通過(guò)軟件解決。同樣的原則必須應(yīng)用于軟件工具，以形成強(qiáng)大的軟硬件平臺(tái)，從而開(kāi)發(fā)出統(tǒng)一的解決方案。基于平臺(tái)的有效方法不以軟件或硬件為重點(diǎn)，而是以重本身所包含的創(chuàng)新為重點(diǎn)。
對(duì)于每一個(gè)人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)行的IIoT設(shè)計(jì)在業(yè)務(wù)與技術(shù)方面都是一個(gè)巨大的商機(jī)。全球各地的組織機(jī)構(gòu)都在為定義IIoT不懈努力，同時(shí)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(shí)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(shí)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(kāi)始集中采用基于平臺(tái)的方法，通過(guò)參與這些可定義未來(lái)的工作的機(jī)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。
