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IIoT应用相对于消费类IoT的一些独特要求

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-07-15  浏览次数:257
核心提示:物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 目标相同,都是将传感器数据流转化成有用的信息。但是,对于开发人员来说,最大的区别在于基本要求,包括电源、连接性及设计可靠性和稳健性。

物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 目标相同,都是将传感器数据流转化成有用的信息。但是,对于开发人员来说,最大的区别在于基本要求,包括电源、连接性及设计可靠性和稳健性。

IoT 要求尺寸小、电池供电以及无线连接,这意味着要使用带一体式射频子系统的低功耗 MCU 进行蓝牙或 Wi-Fi 通信。与此相反,工作条件恶劣、大量本地传感器和旧版系统这三方面的综合作用,则推动了对稳健互连及使用能够卸载传统 PLC 的边缘设备的需求。

本文将讨论 IIoT 应用相对于消费类 IoT的一些独特要求。尽管有额外要求,开发人员仍能找到各种各样的解决方案来满足针对任一领域之应用的特定要求。

消费类和工业IoT之间的差别IoT 和 IIoT 的应用目标相似,都是力争从由传感器采集的数据流中获取有用的信息。二者均依赖于外设设备直接或通过一些中间资源与高级应用通信时所用的多层方法。但是,除了这些相似性之外,它们各自要求的性质导致外设设备的设计和连接性存在本质区别。

例如,针对保健和健身的 IoT 传感器设计通常与在恶劣环境中准确监测和可靠控制工业设备所需的 IIoT 外设传感器和致动器无相似之处。同样地,IoT 和 IIoT 网络的连接性可能会带来完全不同的要求。

连接性通常代表 IoT 和 IIoT 系统实施之间的特征之一。如下所述,IIoT 在传统上依赖于可编程逻辑控制器 (PLC) 和其他主机的硬连接,该方法的原理在今天依然很大程度上有效。

与此形成鲜明对比的是,面向个人和家居使用的 IoT 应用通常绕着用户智能手机或其他移动设备上运行的应用转,并通过蓝牙或 Wi-Fi 局域网连接到 IoT 设备或可穿戴设备。

针对家庭或办公应用的 IoT 设备设计,通常在功率和尺寸方面存在重大限制。对于这些应用,消费者期待大多数 IoT 设备和所有可穿戴设备电池在一次充电后可以长时间供电。

针对可穿戴或摆放在家里或办公室显眼位置的产品的 IoT 设计,通常在易用性、防水和防尘、最低设计封装及与其他主流消费产品相关的其他特性方面存在额外的产品工程设计要求。同时,设计成本和简捷性成为寻求更快交付有竞争力产品的厂商十分关切的问题。

低功耗无线 MCU 的出现提供了一种解决方案,可以解决这些经常相互冲突的要求。无线 MCU 通过将射频子系统与处理器核相集成,提供一种更简单的方法,不仅减少了零件计数,还消除了与射频集成相关的设计难题,从而加快了整体开发的速度。

Dialog Semiconductor 的 DA1458x 系列器件等无线 MCU 集成了一个处理器核、蓝牙射频子系统、坚固的单片存储器和大量模拟和数字外设。MCU 围绕低功耗 32 位 ARM® Cortex®-M0 处理器核构建,有助于最大限度降低电池供电产品的功耗。MCU 的一体式低功耗蓝牙核与射频子系统仅使用 3.4 毫安 (mA) 进行发射 (Tx) 和 3.7 mA 进行接收 (Rx),MCU 的整体典型功耗分别为 4.88 mA 和 5.28 mA。


存储器扩展Dialog 提供针对特定工作要求进行了优化的各种版本的 DA1458x MCU。例如,DA14581 针对无线充电应用进行了优化,而 DA14585 和 DA14586 适用于需要小尺寸、低功耗和大量存储空间的可穿戴设备和智能家居应用。

Dialog 公司的 DA14585 包括 96 千字节的 SRAM 工作存储器;128 千字节的 ROM 用于引导代码和蓝牙栈;以及 64 千字节的一次可编程 (OTP) 存储器用于应用代码、蓝牙配置文件和配置数据。DA14586 提供与 DA14585 相同的特性,但增加了 2 兆比特片载闪存块,正常操作期间,对总功耗几乎不产生影响。

如果设备要求更大的程序内存,开发人员可以使用 MCU 的 SPI 或 I2C 接口轻松添加一个外置闪存设备,如 Winbond Electronics W25X20 2 兆比特闪存或 W25X40 4 兆比特闪存(图 1)。闪存设备采用 2 x 3 mm 小型无引脚器件 (USON) 包装,只会让设计封装适度增大。

另一方面,使用外置闪存会使功率消耗相比使用 MCU 的 OTP 或 DA14586 的内置闪存时递增。功耗增加的原因包括:外置闪存较长的 SRAM 加载时间、较高的外置闪存编程电流水平及外置闪存待机时较高的电流水平甚至断电模式。


图 1: 对于需要内存多于 Dialog DA14585 等无线 MCU 中所集成内存的 IoT 设备,开发人员可以通过 SPI 或 I2C 接口连接外置闪存设备。

传感器数据对于传感器数据采集,工程师可以利用集成在 Dialog 蓝牙 MCU 等无线 MCU 中的模数转换器 (ADC)。某些情况下,工程师或许能够将传感器输出直接馈送到 MCU 的 ADC 端口,且可能会通过一个简单的运算放大器来缓冲。

然而,对于大多数 IoT 应用,有关传感器负载、线性度、温度补偿、信号摆动、噪声的问题及其他注意事项需要更多的模拟信号链。即使使用可用的模拟前端 (AFE) 设备构建,独立的传感器设计也会增加复杂性,经常延误项目完成。不过,通过利用更多的智能传感器,开发人员可以快速创建 IoT 设计,其中除了单个无线 MCU 和智能传感器外,只包括较少的几个元器件。

 
关键词: 工业物联网 (IIoT) 传感器 PLC 工业设备

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