工業物聯網(Industrial IoT)應用(如智慧工廠或智慧城市)需要大量配備各種感測器和致動器的無線嵌入式裝置。人們常常期望這些裝置在嚴苛的射頻(RF)環境中長時間運作,同時週期性地擷取環境或工業過程資料。遺憾的是,當前世代的工業檢測解決方案需要大量的開發、安裝、整合和管理工作,以大規模部署堅固的IoT系統。

因此,大多數用戶都在努力解決這種複雜性及其相關的成本問題,而結果卻仍無法最大限度地提高投資報酬。為了顯著降低工業IoT環境的總擁有成本,所需要的解決方案必須能夠方便地整合協力廠商的外部感測裝置與現有的應用,還要能夠實現可靠、安全且超低功率的網路,以及收集和儲存感測器資料的線上雲端服務。

本文將以VersaSense公司提供的MicroPnP (Micro Plug-and-Play)平台為例(圖1),介紹符合標準的低功率「感測即服務」(Sensing-as-a-Service)解決方案如何實現感測與致動周邊裝置的隨插即用式整合、跨不同地點每天24小時不間斷且可擴展地監測與控制裝置,並提供安全的端對端通訊。相較於傳統的工業IoT解決方案,MicroPnP採用完全不同的方法消除了開發和管理複雜性,從而顯著降低工業IoT系統的總擁有成本。

為周邊裝置實現真正的隨插即用式整合可經由被動電子元件實現,這些元件形成了一種高效率機制,感測和辨識新的連接感測或隨時間變化的致動周邊裝置。MicroPnP的軟體堆疊為安全的裝置運作、自動化空中下載(OTA)韌體更新和API(用於整合感測的周邊裝置資料與線上雲端服務)提供了解決方案。最後,MicroPnP採用凌力爾特科技(Linear Technology)的SmartMesh IP,提供同類最佳的無線網格網路技術,甚至在嚴苛的RF環境中也能實現超過99.999%的網路可靠性,同時維持為期10年的電池壽命。

20170424_Linear_TA31P1 圖 1:MicroPnP平台

MicroPnP是歷經10年學術研究取得的成果,在IPSO聯盟舉辦的年度全球性競賽——2015年國際IPSO挑戰賽獲獎。為了打造下一代智慧物件(Smart Object),IPSO聯盟積極推進開放協議和標準(例如網際網路協議IP和有關的IETF協議)的使用。目前,MicroPnP正成功地用於世界各地的工業環境中,包括資料中心監視、精確的畜牧養殖以及石油和天然氣產業的監測。

MicroPnP感測即服務平台

MicroPnP提供一個一致的硬體和軟體工具套件,可自動檢測和配置進入IoT的嵌入式感測周邊裝置,提供極致的無線網路可靠性和電池壽命。主要的差異之處包括:

零配置的隨插即用式周邊裝置整合

MicroPnP能自動辨識所有的連網嵌入式感測和致動周邊裝置,並安裝相應的裝置驅動程式軟體。這種方法依靠低功率被動電子元件,辨識一種周邊裝置所消耗的功率較USB或FireWire等傳統解決方案更低百萬分之一。此外,這種方法的成本非常低,也十分靈活,可讓任何現有IoT感測器或致動器立即被重新封裝成MicroPnP周邊裝置。

自動進行軟體安裝和維護

一旦將一個周邊元件插入MicroPnP裝置,就會自動請求將所有對應的裝置驅動程式軟體送到網路閘道器,隨後再透過空中下載進行安裝。從這時開始,該周邊裝置就可以全面發揮作用,並可用於為終端用戶實現遠端互動。為了進一步因應應用開發人員的需求,網路管理器會顯示RESTful API,以便於查詢所有的裝置,並直接將感測器資料推送到雲端。

極低功率的超可靠網格網路

在網路層級,MicroPnP與凌力爾特科技的SmartMesh IP嵌入式無線網格網路相互整合。SmartMesh IP是IEEE 802.15.4e時隙通道跳頻(TSCH)模式的商用建置方案,提供了高性能和網格功能,並支援易用的IPv6。為了在面對RF干擾、多徑衰減以及其他環境因素時能確保高度的資料可靠性,TSCH整合了基於預留的時分多址(TDMA)機制和通道跳頻。透過連續監測網路狀態,並針對每一個裝置最佳化TSCH時間表,MicroPnP網路能以一對AA電池自主運作長達10年之久。

透過開放標準和協定避免廠商鎖定

每個裝置上的MicroPnP協定堆疊都完全符合IEEE、IETF和IPSO標準要求,因此非常容易與協力廠商解決方案整合。在鏈路層,SmartMesh IP採用IEEE 802.15.4e TSCH,同時,支援IPv6的傳統IoT「上層協議堆疊」由IETF-6LoWPAN、UDP和CoAP組成。此外,每個MicroPnP周邊裝置都採用IPSO資料模型,以處理異質裝置和協力廠商應用之間的互通性問題。IPSO資料模型定義一個通用的物件模型(Object Model),該物件模型由一個URL範本和一套標準化資料類型組成,使應用軟體能夠與裝置進行有意義的互動,包括與其他裝置中的軟體互動。

輕鬆進行應用開發和整合

最後,一套軟體工具庫(以 JavaScript、Java和NodeJS形式提供)提供程式化存取MicroPnP網路,同時允許在終端使用者應用和MicroPnP裝置之間建立防NAT連接。由於這些工具庫直接整合每個裝置上的MicroPnP軟體堆疊、網路閘道器和雲端元素,所以有助於在幾分鐘內開發出完整的IoT系統。

實際應用模型

安裝和操作一個MicroPnP裝置網路的典型模型如下(圖 2):

20170424_Linear_TA31P2 圖 2:MicroPnP模型

整合外部檢測和致動裝置

一旦插入感測或致動周邊裝置,MicroPnP應用電路板就會自動進行感測並獲取其類型。然後再向雲端操作的管理實體請求一個合適的驅動器軟體。

周邊裝置驅動器軟體的安裝和網路整合

無論何時管理實體接收到驅動器軟體安裝請求,都會自動下載裝置驅動程式軟體,並將其安裝到發出請求的裝置上。一旦安裝完成,周邊裝置就可在網路中使用了。

按計劃存取與管理

最後,可重用軟體工具庫大幅降低了開發成本。這些工具庫在遠端用戶端和各個MicroPnP裝置之間提供全域雙向存取,並為IoT終端用戶提供了一條簡便但強大的快速開發應用之途。

導入商業應用

MicroPnP在2015年IPSO 挑戰賽上獲得第三名,該競賽評估IoT應用和原型的創新性、廣泛適用性、可銷售性以及易用性。2015年12月在美國矽谷舉行的Designers of Things大會上,10家準決賽入圍公司向產業評審小組介紹其原型方案。

20170424_Linear_TA31P3 圖3:進行能源管理以實現資料中心最佳化

除了IPSO挑戰賽,MicroPnP也正部署於世界各地的各種感測環境中,包括家庭能源記錄分析、資料中心最佳化(圖3)、工業設施(圖4)或甚至是農場(圖5)環境。例如,在資料中心環境中,諸如溫度、濕度與交流(AC)電源監控感測器等隨插即用式感測器可提供環境中能源流動的詳細資訊,以及監測裝置功耗,同時,隨插即用式致動器還可自動控制裝置。

20170424_Linear_TA31P4 圖4:設施監控

除了能源管理應用,MicroPnP裝置還可用於監控機器和工廠中有關的基礎設施(圖4),偵測洩漏或機器異常行為並即時提供警報。在這種情況下,MicroPnP網格網路提供了極其可靠和可擴展的通訊媒介,可擴展至涵蓋很大範圍的工業設施,同時以一對電池就運作10年之久。

20170424_Linear_TA31P5 圖5:精確掌握畜牧養殖

MicroPnP還可用於實現智慧化的精確畜牧養殖(圖5)。隨插即用式感測器和致動器幾分鐘就可安裝完畢,即時提供有關動物所處環境條件的高解析度資料,包括飼料消耗、水的使用、溫度、濕度、空氣品質和污染,從而提高了農場的效率。

結語

工業物聯網應用預計將部署在動態變化的環境中,而且必須可靠地運作很長時間。然而,大多數用戶都在努力解決現有IoT感測解決方案的複雜性和高成本等固有問題。本文以基於凌力爾特SmartMesh IP嵌入式無線網格網路的MicroPnP平台為例,介紹一種採用不同於現有解決方案的新途徑,該平台結合了10年的學術研究成果以及先進的工業無線網路技術,實現了零配置。

為了大幅降低工業感測和控制系統的總擁有成本,MicroPnP支援零配置隨插即用式感測和致動周邊裝置,可從雲端進行管理,且易於與傳統系統整合。此外,管理人員還能夠即時查看網路運作和裝置狀態。它還兼具同類最佳的能源管理網路以及10年的電池壽命,能夠保持業界要求超過99.999%以上的網路可靠性,以及強大的端對端安全性。