工业是国家财政收入的主要来源,是国家经济发展的重中之重。

 

随着工业化与信息化的深度融合,企业内部互联互通的需求渐增,通过接入网络达到提高产品质量和运营效率的需求更为强烈,工业物联网IIoT)应运而生。


工业物联网,是通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作,实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应,达到资源的高效利用,从而构建服务驱动型的新工业生态体系。


具体来说,工业物联网是一个物与互联网服务相互交叉的网络体系。同时,它也是自动化与信息化深度融合的突破口。

 

Silicon Labs 副总裁兼物联网工业和商业产品业务部总经理 Ross Sabolcik


针对工业物联网当前的发展趋势,与非网推出专题活动,邀请行业相关企业一同探讨其进展情况。今天邀请到的是 Silicon Labs(下文简称 Silicon )副总裁兼物联网工业和商业产品业务部总经理 Ross Sabolcik。


Ross 向与非网记者介绍了 Silicon 在工业物联网方面的进展,Silicon 为多样化的工业物联网(IIoT)应用开发了业界领先的低功耗无线通信技术,广泛应用于如智能能源管理、商业和楼宇自动化、资产跟踪、商业和高棚照明、流程自动化和农业跟踪等应用。


Silicon 面向物联网连接提供可扩展平台的方法使客户能够根据其工业应用的需求选择最佳的无线解决方案,并同时充分利用世界一流的软件栈和开发工具。支持包括 Zigbee、Thread、蓝牙 mesh、蓝牙低能耗、Wi-Fi 和专有协议等在内的多种无线协议。


Silicon 提供丰富的物联网器件组合,包括无线系统级芯片SoC)和模块、微控制器和传感器,使客户能够构建完整的系统,去监测环境变量,在本地处理数据,并使用无线技术将数据传输到云端进行分析。客户和合作伙伴还通过使用公司的射频技术实现了更多的无线通信协议,包括无线 M-Bus、Wi-SUN 和 WirelessHART 等来,以满足特定的行业应用的需求。


新兴技术赋能工业物联网

当前,随着大数据时代的到来,5G、云计算和边缘计算等新兴技术成为热门话题,对于工业物联网来讲,边缘计算和云计算也是极其重要的技术。


Ross 表示,Silicon 的无线连接解决方案使客户能够在边缘节点上收集数据,并将数据传输到云端,从而在云端可以进行更复杂精妙的处理和分析。人工智能(AI)和机器学习是重要的新兴技术领域,它们将在数据被传输到云端之前,就在边缘进行了更复杂的数据分析和压缩。


工业物联网应用中的无线网络有三种通用类型:1)由客户自行开发、实施和维护的专有网络;2)由客户部署和维护的基于标准的无线网络;3)客户可以付费获得的、已建设的蜂窝移动物联网网络,例如 LTE-M。 蜂窝移动物联网网络是工业物联网应用的理想选择,例如跨越长距离和大区域(城市、州甚至全国)的资产跟踪。


当客户在选择他们的通信网络时,要面临多种技术和成本方面的考虑因素。对于许多客户而言,这些考虑因素将继续促使他们去建设和维持采用专有协议的或基于标准的无线网络。在可预见的未来,我们期望这些网络与蜂窝移动技术共存。虽然 5G 拥有广阔的前景,但当今现有的物联网技术能够为仅需要低数据速率的机器对机器(M2M)和机器对云端应用等提供可扩展的、经济高效的连接。对于需要长电池巡航时间、LTE 可靠性和低延迟的低功耗广域网络(LPWAN)应用而言,LTE-M 是一个不错的选择。LTE-M 与现有 LTE 网络兼容,未来将与 5G 技术共存。

 

其中,边缘计算可实现更快的响应速度,并降低网络上的数据速率,同时还能够解决隐私和安全问题,逐渐成为工业物联网领域中重要的。本质上,边缘计算使应用能够在更接近物联网网络边缘的地方而不是云端去完成决策制定功能。随着边缘节点处理能力的增强,可以在边缘处处理更多决策制定,或者在边缘进行更多的数据分析和销减,从而减少网络负载。在某些工业物联网应用中,时间延迟可能是一个关键的考虑因素;在这些应用中,向云端传输数据的速度可能太慢,会对系统的运行效率造成负面影响或危及时间关键型应用。随着许多工业物联网系统对较短延迟的需求增加,我们看到边缘节点架构的出现,它们提供本地化控制,同时向云端报告状态信息,以监控流程运行状态是否良好。


Silicon 的无线连接产品组合能够支持面向工业物联网应用的边缘计算。我们的各种无线 SoC 和模块包括集成在每个器件中的功能强大的 Arm Cortex-M4 处理器,它们可以处理本地控制和数据分析,并结合可扩展的内存选项,以适应客户的应用以及远程升级(OTA)。我们还提供全面的无线连接选项(Zigbee、Thread、蓝牙 mesh、Wi-Fi、专有和多协议 / 多频带支持),从而为客户提供将终端节点连接到分布式工业物联网系统的简便途径。展望未来,我们预计边缘节点的处理能力将通过 MCU 功能的增强和其他加速器而继续增强,这些加速器将支持诸如机器学习等更复杂的处理技术。

 

工业物联网之数据安全

工业物联网的发展绕不开连接和智能两个关键词,连接、快速处理和相应、监测等等环节自然离不开传感器的应用,对于传感器在工业物联网的应用情况和发展趋势。Ross 回答道,“Silicon 提供了多样化的传感器种类,包括磁霍尔效应传感器、相对湿度和温度传感器、光学传感器和电容式触控 MCU 器件。这些传感器器件为各种工业物联网和商业应用提供了高可靠性、高功效、卓越的集成度和易用性。


为了在工业物联网应用中支持传感器融合,开发人员必须优化其系统架构。在低功耗状态下的传感器融合需要与面向更高性能进行优化不同的方法。如果功耗不是设计所需考虑的问题,那么可以在系统主处理器一直运行的情况下实现传感器融合。为了实现低功耗运行,Silicon 的无线 SoC 和 MCU 都具有专用硬件,以在芯片上的控制器休眠时测量传感器。这种低功耗架构支持终端节点在消耗最少功率的同时主动采样传感器。低功耗运行扩展到计算和射频传输,允许 SoC 和 MCU 在有效地将传感器数据传输到云端之前,在终端节点处加以必要的计算处理。


Silicon 的霍尔效应传感器提供类似的节能功能,即器件在感应到磁场的存在时可以被唤醒。这些霍尔效应传感器被用在位置传感器、流量计、开关闭合和许多其他工业应用之中。我们的霍尔效应传感器拥有非常高的能效,开发人员可以在电池供电的系统中使用它们,而不会影响系统的电池续航时间。我们霍尔效应传感器的休眠电流低于 100 nA,在 5 Hz 采样率时的运行电流低于 400 nA,可帮助设计实现长达多年和十年的电池续航时间。


温度是工业系统开发人员需要测量的最普遍的环境指标,如今的设计人员期望其温度传感解决方案具有卓越的能效、准确性和性价比。Silicon Labs 的温度传感器提供了一个能效非常高的解决方案,同时在整个工作电压和温度范围内保持准确性,因此开发人员不需要牺牲性能。此外,通过在温度传感器中集成低功耗模拟设计,可提供一个性价比最优的解决方案,其能效比竞争对手的温度传感器产品高出 35 倍”。

 

数据的收集、处理、传输和存储是工业物联网市场相当重要的环节,数据被企业视为命脉,因此数据安全问题是重中之重,Silicon 对此已有准备。


从终端节点到云端的安全性是实现可靠和安全的工业物联网应用,以及防止自动化工厂受到恶意入侵和数据泄漏的必备能力。Silicon 的所有无线 SoC 和模块、以及非无线微控制器(MCU)都集成了精妙的硬件加密技术,它们都支持对称和非对称加密。Silicon Labs 的无线器件和 MCU 在出厂时也配备了软件,以有效地使用先进的加密技术,实现安全通信、固件更新和许多其他好处。


Silicon 最新的无线 SoC 提供了以下安全特性,它们使开发人员能够在互联的产品中实现强大可靠的安全性:


•与软件技术相比,集成化的安全内核实现了更快、更低功耗的加密。


•真正的随机数生成器使器件证书密钥不易受到攻击。

 

•安全引导加载确保固件图像和远程升级的真实性。


• 安全的调试访问控制有助于原始设备制造商(OEM)防止对最终产品未经授权访问。

 

客户可使用 Silicon 产品的安全特性来确保其软件不被篡改,保证密钥和其他敏感信息的安全,防止硬件攻击,并开发从其设备到后台或云端的端到端安全通信。

 

工业物联网的挑战、准备、趋势

 

生态系统

随着无线标准的不断发展,业界需要在同一个无线器件中支持多协议连接,使客户能够连接到不同的异构网络,或对其网络进行现场升级。Silicon 是一家面向物联网提供多协议和多频段 SoC 和模块的领先供应商。我们打造无线硬件和软件平台的方法支持客户在多样化的通信网络中充分利用其投资。该功能支持客户将产品部署到当今各具其用的市场中,并在生态系统不断发展的同时最大限度地实现互联互通。


为了推动物联网标准的统一,Silicon 与诸如 Zigbee 联盟、Thread Group、蓝牙 SIG 和 Wi-Fi 联盟等领先的无线标准组织合作,而这些组织都致力于推动整个行业的互联互通和标准化等优势。Silicon Labs 也是开放连接基金会(OCF)的成员,该组织致力于开发规范、提供互联互通指导和为物联网设备提供认证程序。同时也是 Fairhair 联盟的成员,该组织旨在推动楼宇自动化和商业照明的互联互通。

 

落地困境

工业物联网中的碎片化仍然是跨行业大规模部署的障碍。寻找经验丰富的硬件和软件工程师以及流程控制专家,尽管他们具备一整套引入和部署网络的技能,但对于工业物联网的大规模引入仍然是一个挑战。


像 Silicon 这样的工业物联网解决方案提供商正致力于通过提供软件和工具来简化解决方案的开发,以降低将产品推向市场的障碍。虽然在这方面已取得了很大进展,但成功地大规模部署工业物联网解决方案仍然是一项需要众多领域专家共同参与的多学科工作。

 

其它安全问题

工业物联网安全是一个必须在工厂自动化系统的整个生命周期内、从架构到实施、以及整个系统现场生命周期的各个阶段内进行管理的过程。一个系统仅在给定的时间内对特定的对手是安全的。通常,当考虑到更强大的对手时,系统保护的成本会大幅增加。对于大多数嵌入式设计而言,以低成本有效地抵御国家级的进攻是不可行的。值得注意的是,随着安全等级的提高,攻击者的会数量急剧减少。 因此,为了减少安全威胁,有必要提高系统的安全等级。好消息是,对于大多数系统而言,有几种廉价且简单的方法可以显着提高安全等级。


在器件级别,控制器件上运行的软件非常重要。这可以通过控制新软件如何被编程到器件中的机制来实现的。特别是,必须关闭 JTAG 接口并实现一个安全引导加载程序。在通信层面,开启通信协议的安全性至关重要。如今的诸如 Zigbee、蓝牙、Thread 和传输层安全(TLS)等无线协议实现了相当好的安全性,并且在开发过程中可以直接使用。


在系统级别,启用软件分发机制非常重要。这一点尤其重要,因为时间会影响大多数嵌入式设计的安全性。随着时间的推移,对手变得越来越强大。今天只需以 1000 美元左右的价格发起的攻击比十年前用相同的资金水平发动的攻击威力更大。因此,将系统的使用寿命考虑在内是至关重要的,能够抵御未来对手的唯一方法是设计具有可升级安全性的系统,并在产品整个生命周期中通过远程升级来对系统进行升级。

 

趋势及规划

随着工业物联网应用中的无线连接用量激增,开发人员需要具有高性价比、可扩展性、高能效和安全性的无线平台,同时提供更高级别的射频性能和可靠性。


为了满足这些要求,Silicon 即将推出一种全新的、下一代无线 SoC 平台,旨在提供一流的射频性能(比竞争对手解决方案提供的范围宽 2.5 倍)、极低的有源电流、增强的安全性功能、更低的 BOM 成本,以及针对占用面积敏感应用的小尺寸封装(4 mm x 4 mm QFN)。设计人员可以利用 Silicon 的 Simplicity Studio 集成开发环境(IDE),来将先进的工业物联网产品和系统推向市场。Simplicity Studio 集成开发环境利用一整套工具,包括统一的无线开发工具包、SDK、能耗分析器、拥有专利的网络分析技术、应用演示和移动应用来加快产品上市时间。

 

在采访的最后,Ross 总结道,“在当今工作在工业自动化、太阳能逆变器和电源等应用领域内工作的电子设计人员都有着共同的目标:在不牺牲安全性的情况下实现更高的性能。为了在恶劣的电气环境中确保这些应用的安全,必须将子系统彼此隔离以保护敏感元件。隔离技术通过提供一种在电介质隔离层上耦合关键数据和控制信号的方法来保护敏感电路。该隔离层充当绝缘体,抵御高压和高噪声瞬变。有效的隔离需要信号和电源隔离。


例如,工业物联网系统依赖于高效可靠的实时分布式网络来监测和控制复杂的制造过程。在恶劣的工厂环境中,需要高电压来为诸如重载电动机和压缩机等工业设备供电。当电机开启和关闭时,会产生很高的电压瞬变。如果不对其进行隔离,这些瞬变可能会损坏或破坏 MCU 和敏感的模数转换器(ADC)电路。这类应用可以通过将高噪声环境与敏感部件进行隔离来实现安全性。


作为一家优秀的 IC 解决方案,Silicon Labs 为信号和电源隔离提供了一套完整的隔离解决方案,现已可用于保护敏感元件。这些即插即用的、基于 CMOS 工艺的数字隔离解决方案省去了宝贵的设计时间,消除了系统设计中的猜测;确保了一次设计成功并加快了产品上市时间,同时在恶劣环境中保护敏感部件不受影响。”