搞定传感器整合/联网技术 工业物联网应用开发无往不利 解决方案, 传感器, 物联网, 工业, 技术

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工业应用一直是现场可编程闸阵列(FPGA)的主要应用市场之一，针对工业市场逐渐导入物联网概念，FPGA大厂赛灵思(Xilinx)也已经做好准备，推出对应的解决方案。


图4　赛灵思亚太区工业医疗市场高级经理罗霖认为，工业物联网产品的系统架构要保持很大的弹性，才能在基本功能之外，添加更多附加价值。
赛灵思亚太区工业医疗市场高级经理罗霖(图4)指出，在工业市场上，MCU与FPGA一直是既竞争又合作的关系。很多基本应用可以靠MCU来实现，但如果要在基本产品之上添加与众不同的附加价值，FPGA就有发挥的空间。

以联网通讯为例，工业通讯市场还可以区分成工业乙太网(Industrial Ethernet)及现场汇流排(Field Bus)两大类，但不管是哪个次领域，基本上都是标准百家争鸣的状态(图5)，即便有些标准有较高的市占率，但领先幅度也不会太大。因此，对应用开发商来说，如何支援各式各样的通讯协定，一直是很大的考验。

更有甚者，在这些工业通讯标准协定中，有部分标准是必须要采用客制化的ASIC来实现的，不能只靠修改韧体。例如西门子(Siemens)主推的PROFINET跟PROFIBUS，就要搭配专用的晶片硬体。这对应用开发商来说，是相当棘手的一件事。


图5　各类工业通讯标准市占率分布图
有鉴于此，赛灵思与矽智财(IP)合作夥伴HMS携手推出Anybus矽智财套件，目前可支援PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP、POWERLINK、Modbus TCP等常见工业通讯标准，未来还会不断增加。使用者只要在赛灵思的开发套件中勾选自己想要的通讯标准，设定好相关参数，FPGA就可以支援不同的通讯标准。

针对马达控制(Motor Control)、机器视觉(Machine Vision)等其他工业上的常见应用，赛灵思也推出类似的解决方案架构，藉由简单易用的开发环境来整合各种经过验证的矽智财，协助应用开发商满足不同的弹性、客制化需求。

值得注意的是，在工业应用进入物联网时代后，对于系统的功能安全将会更加重视。因为联网虽然能带来极大的便利与价值，但同样会为系统引进新的风险。

图6是实现系统功能安全的V型模型。每个设计阶段都有对应的功能安全验证，藉此确保系统功能安全无虞。


图6　功能安全设计与验证流程图：V Model
此外，未来实现更强固、可靠的功能安全特性，应用开发商最好使用两套异质架构来处理同一个任务。这不是为了冗余备援(Redundant)，而是要用两套不同的架构的运算结果来互相比对，确认系统功能正常。这点对于绝对不允许出现任何闪失的应用，例如炼油厂、核电厂、轨道运输等，特别有其必要性。

而这也是利用FPGA来开发工业物联网应用一个很大的优势。许多先进的FPGA都具备够大的容量，而且先天上就很适合用来做平行运算，可以同时用不同的算法来彼此校验。


图7　臣纬实业总经理吕志辉认为，设备温度监控是工业物联网里面非常关键的一环。贴附式感测方案将可解决棘手的布建与感测可靠度问题。
感测器深入前线　易安装/高可靠度最关键

就如同感测器在一般消费型物联网中扮演重要角色，在工业物联网里面，感测器也是不可或缺的元素，而且往往跟生命财产的安全息息相关。事实上，根据内政部消防署的统计，2015年台湾发生的火灾中，有超过4成与电气有关。

臣纬实业总经理吕志辉(图7)表示，机电设备无处不在，不管是一般住商大楼还是工业厂房，都一定要有空调、配电等机电系统。不过，机电系统往往也是最容易发生意外事故的地方，因为相关设备的温度往往不低，而且除了维修保养人员定期检视外，这些设备的日常运作状况如何，很少有人会做即时监控。这也是很多重大火警的起火点都在机电室的原因。

现今工厂与大楼供电的高低压配电系统、中央空调、冷热水系统常因施工不当、设备所处环境恶劣或疏于保养等原因酿成大祸。贴附式温度感测器容易安装，又不用破坏设备表面，几乎可以安装在任何设备或管线上，具备很高的布署弹性，是监控设备温度的理想解决方案(图8)。