从自动化到物联网

　　摘要：自工业革命以来，几乎每个时代都被称为自动化时代。机械机器首先实现了基本商品生产的自动化。自动化的进一步发展，为我们提供了现在人们已经习以为常的汽车和其他大型家电。在二十世纪，自动化已经十分重要。1960年代的电视剧《杰森一家》中甚至描述了这样的未来：机器人自动化处理日常事务，如做饭和用吸尘器清扫地板。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/269815.htm

　　关键字：物联网；自动化；MCU

　　DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.2.008

　　引言

　　物联网让我们对于自动化有了全新认识。如我在《物联网要成为现实还缺什么》一文中所述，物联网的定义不仅限于机器与机器(M2M)的互动，还包含智能机器与其他机器、物件、环境和基础设施之间的互动与交流。《物联网中的传感器融合和远程情感计算(REC)》白皮书中谈到了会触及我们生活中每一方面的“空中全球性神经网络”。这个不断进化的网络甚至会远程读取人类的情感。智能机器与其他机器、物件、环境和基础设施之间的互动会产生大量的数据。将这些数据处理成可“命令和控制”事物的有用行为，将会让人类的生活变得更加方便。

　　从产品角度来看IoT标准模块在图1左边，传感器和嵌入式处理器或标签(如RFID)负责监视和跟踪某些活动、流程或货物的移动。这些节点有许多类型，视应用而定。传感器和执行器会感应到各种不同的激发因素，并可能根据所接收到的命令而引发一个动作。每个模块都有一个MCU，负责对该数据进行嵌入式处理。这种本地处理意味着对活动进行监视，并根据当前情况要求响应(产生本地决策)，或收集和传递数据以供云端服务器进一步处理(从而进行远程决策)。在这两种情况下，从这些数据得到的统计结果都会传送到云端进行大数据分析。边缘节点将含有集成的现代化芯片，可连接到与那些传感节点相关联的网关/集线器。还包含一个电源，可以视应用和特定设置的不同而直接连接到电源插座、电池或能源采集器。

　　MCU必须节能。在许多情况下，传感节点是由电池驱动的卫星节点，因此低功耗是一项基本要求。未来丰富的物联网应用需要一个将应用、命令、控制与路由处理以及节点与系统安全融合的软件开发环境。一个可提供广泛生态系统和易于得到支持的开放性平台，对于物联网应用的嵌入式处理节点的开发十分关键。对于开发物联网应用的公司而言，能否重复使用软件和能否最大程度地利用现有软件是成功的另一个关键因素。

　　图1中再向右是边缘节点，负责将信息传递给网关/集线器。网络拓朴可以是一种在人体上、人体附近或周围实现通讯的体域网——可穿戴式传感器，如心脏监控器。也可以是个人区域网，可实现个人设备在几厘米到几米距离之间的通讯。局域网则是下一级联网方式，可实现各种智能设备在有限区域内的通讯，如住宅或办公楼，通过双绞线组建的以太网或Wi-Fi是实现局域网的两种最常见的技术。也可用电力线通讯实现连接。实际上，许多公用设施公司正在为其下一代邻域网通讯考虑基于窄带OFDM的电力线通讯。目前有许多以各种缩写形式为名称的网络标准正用于各类工业细分市场或应用。因为物联网边缘节点的产品直接连接到各种基础设施——从公寓社区到桥梁——由于这些基础设施不大可能定期更改，所以其产品更新周期可达12–15年。设计者不能承受采纳错误的网络标准，不然会有因技术演进而使某件基础设施在数年内废弃的风险。

　　在传输的另一端，数据被解码并传递到网关(图中更右的方框)。设想一个包含多栋楼宇的公寓社区。每个公寓单元都有控制加热和空调、监视入口、控制照明等功能并与公寓级别的网关通信的边缘节点。而每栋楼宇又有一个更集中的集线器，负责管理整栋楼宇，记录所有公寓单元的情况，并对异常进行提示。如果这些楼宇再划分成楼宇群，则这些集线器可置于层次结构中的更多不同的层次。在这种情况下，每个集线器都会按照预设采取行动，并将适当的元数据传递给层次结构中的下一层，根据这些网关在层次机构中所处层级的不同，其左右两侧的连接功能会有不同。例如，与公寓级的网关通信、处理数据并传递给楼宇级的网关的楼层级的网关只需要支持某种局域网(以太网、wifi等)或电力线通信。另一方面，对于与多栋楼宇通信、处理数据再与云通信的社区级网关，一侧需要LAN或电力线通信，另一侧与云的通信则需要WAN(以太网、Weightless、电力线、蜂窝、802.11ah、其他)。

　　嵌入式处理层次例子

　　用于监控和协调诸多传感器输入的任何系统都能从网关这个概念中受益。现在依靠许多单独的、通过控制器区域网络(CAN)与使用MCU处理输入的电子控制单元(ECU)进行通信的传感器的车辆更是如此。但汽车网关会使这些车辆系统更先进。有了网关的概念，汽车的电子器件就能够通过交通系统和基于云的系统等基础设施实现更多内部功能控制并与其它车辆进行通信。

　　网关的作用不仅是聚合和路由，还处理数据，并在本地通过网关灵活地处理许多命令与控制服务，仅将元数据或事件的异常处理传输给云。换言之，一定数量的数据中心功能会在本地进行处理，因此不需要向网络传输大量的聚合数据。这有助于指派不同安全级别予不同的“区域”并将网络隔离于来自边缘节点的潜在威胁，反之亦然。

　　即使每天只传输几次少量数据，一个聚合了数千端点的网关仍然会累积一小堆数据——而这些数据不全是有用的。服务提供商可能希望只传输有用的数据，这样网关就会经常承担网桥或聚合点以外的角色，这种情况就需要可过滤无用数据的传感器或转换算法，而这种功能要求本地存储和本地数据处理。M2M网关也有助于网络扩展，提供了一个分配智能的平台，还可作为WAN与传感器网络之间的安全屏障。M2M设备将被广泛部署，经常出现在公共场所。这样就易受物理与网络入侵。最近围绕针对智能手机的恶意软件攻击增长的新闻报道也证明了这一点。

　　下一步就是位于物联网阶级上层的云。云聚合了来自许多网关(或前述举例中的公寓楼宇甚至城市)的输入。聚合在云数据中心的数据可以是各种边缘节点的事件统计，或者是为实现命令与控制而需要处理的特定数据。因为集线器/网关采用的是分层拓朴结构，所以可在网关内灵活地实施特定的数据中心功能。换言之，从命令与控制的角度，可在层次结构的各级采取行动，将控制移向更本地的层级。在这些情况下，集线器或网关只向云传输统计数据。或者，也可将所有数据传输到云和数据中心进行命令与控制处理。在成千上万的边缘节点产生数据的情况下，物联网为大数据分析提供了一个基线架构。物联网的大数据应用包括工业自动化、智能计量、家庭自动化、环境与基础设施(桥梁、隧道、道路等)监控、交通运输系统、智能交通、智能医疗和石油与天然气行业等等。

　　数据中心和云的其中一项输出是传到专门(以虚拟、本地或远程方式)提供特定服务的服务器。某些这类服务可能包括用户通过其移动设备发出的动作请求(如到家时开灯)。但物联网主要是服务器根据预设规则和机器学习独立地作出决策，并使人不受打扰。

　　根据这些信息和任何新的业务政策，连接到云的服务器开始向下执行命令与控制功能，发布软件更新或新政策，通过层次结构的各层到达边缘节点。

　　这种分布式自动神经系统的主要构建模块是一个处理与控制架构，它具有下述特点：

　　●开放性：运行在物联网上的应用会覆盖无数设备种类，因此需要一定的架构一致性。此外，服务要获得成功，需要按本地传统与习惯对应用进行定制。所以要允许大量本地生态系统的软件开发员参与其中。

　　●可扩展性：不同类型的应用有不同级别的资源要求(内存、处理能力、接口等)，有时几个不同的应用可能运行于某节点，因此可扩展性也很重要。这意味着需要一个十分丰富的、可扩展的产品组合，因为一个产品不能满足所有要求。

　　●超低功耗：许多传感器/处理器组合由电池驱动或使用能源采集器，它们不时地从睡眠模式中恢复，执行其功能后又回到睡眠模式。在任何单个部署中，无论是住宅、公寓楼宇或城市范围的系统，都有无数个节点，因此功耗必须很低。实际上，许多边缘节点常常处于关闭模式而非工作模式，因此泄露电流的功耗远大于有功电流消耗。

　　●易于编程：物联网可大大扩展当今的应用概念，将整个住宅甚至城市包含到一个系统中。维护编程模式的简易性以及一个提供工具与软件的大型合作伙伴的生态系统，对于市场开发和最终的总拥有成本是至关重要的。

　　聚焦边缘节点

　　边缘/感应节点具有唯一的ID，可通过远程命令和控制拓朴来单独控制，整个节点包括：

　　●传感器——各种传感器可监控医疗、工业自动化和家庭自动化中不同应用的功能。

　　●连接性——边缘节点需要距离相对较短的通讯。集成调制解调器可通过BTLE、Zigbee、Z-wave、6LoWPAN、低功率802.11n、RFID、NFC和其他标准提供所需的连接。

　　●能量来源——边缘节点电源来自电池、能量采集器、直接电源插座和其他来源。

　　●MCU——控制器的马力MIPS应与任务需求相适应。

　　这些节点应该很小，是低成本、低功率、低复杂性和稳健的。例如美登力公司生产的一个事件监控模块和一个葡萄糖监控设备，使用蓝牙.与各类网关进行通信。边缘节点始终与网关/集线器通信，这些网关/集线器再与核心网络和基于云的处理进行通信。

　　单就数量而言，边缘节点的数量会超过世界上所有其他市场。这一点可能让人难以接受，因为过去十年中手机市场获得了巨大发展。还会有比手机更大的市场吗？下面通过比较来证明我的观点。如今数量最庞大的消费类设备是手机。在我家里，我妻子和我各有一部智能手机。我有两个女儿，她们会在未来五到七年内各自拥有自己的智能手机。所以在五到七年内我家就有四部智能手机。现在，想想在五到七年内这个家庭所有其他可能拥有智能的地方。如果将每扇门、窗户、电器、墙壁上的电源插座、烟雾感应器、温度调节器、电灯开关、洒水区控制器等算在内，我家会有68–100个潜在的物联网边缘节点，可以连接到我们家里的一个网关箱内。所以在五到七年内，我家的智能手机与边缘节点的数量是4与最少68比。这个例子是已有智能手机的家庭。在许多其他物联网应用中(比如工厂流程自动化、道路基础设施、物流、环境等)，甚至没有手机可供比较。所以物联网边缘节点的数量会超过消费者设备几个数量级。这些感应和控制模块能够在网络边缘实现自动化，并且在有安全可靠的服务层时为物联网奠定基础。下面接着详细说明使用MCU实现本地命令与控制的应用场景，并将这些场景延伸到未来数年。如前所述的自动化可为日常生活提供价值。但当我们探讨物联网如何扩展这种观念时，可提供更大的价值。一旦物联网服务兴起，可靠的服务层将会为MCU增加一定量的开销。但是，由于这些标准正在制定，这个开销比例尚未可知。为方便起见，我们讨论最小开销的实际应用处理。我们还假设通信功能使用自包含的有近距离和远距离连接功能的调制解调器，即应用处理MCU在进行上级MAC处理时没有额外开销。

　　Kaivan Karimi 飞思卡尔半导体微控制器 全球策略和业务发展执行总监