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面向工业物联网的创新平台设计

面向工业物联网的创新平台设计

在过去的十年里,我们的社会变得越来越依赖最新的电子与通信技术,例如从移动设备到智能车辆再到家居自动化。通过将这些物品或“物”嵌入在电子产品、软件和传感器中并利用连接技术将其联在一起,便构成了物联网 (IoT)。物联网概念由技术先驱
Kevin Ashton

1999
年提出,指人、机器和基础设施之间连接技术的发展将提升智能、业务洞察力、效率和创新水平。

IoT
潜力巨大,将给我们的生活带来深远的影响。国家仪器的客户在开发、部署和优化物联网核心部件(如消费类/工业产品与系统)以及将这些产品与系统连接在一起的有线和无线基础设施方面发挥着关键作用。  

国家仪器和赛灵思长达十多年的技术合作推出了众多强大工具,助力工程师和科研人员开拓创新、重塑世界。从
NI FlexRIO
模块到
CompactRIO
控制器,以及
NI
模块上系统(SoM)
myRIO
设备,国家仪器已经在其连续数代最先进的产品上采用了赛灵思最新几代器件。对帮助创新人员使用一体化软硬件平台设计、构建和测试这些智能化设备,国家仪器深感自豪。

物联网面临的重重挑战


Gartner
公司提供的数据来看,2015
年估计将有
49
亿联网设备投入使用,到
2020
年将增至
250
亿。这些联网系统的覆盖范围广,从智能工厂的机械设备、汽车中的高级驾驶辅助系统 (ADAS),到智能城市中的电网以及有助于延年益寿的保健可穿戴设备,无所不有。工业物联网的特征可描述为大量彼此通信,协调数据分析和行为,以提升工业绩效、造福整个社会的联网工业系统。

通过传感器和执行器解决复杂的控制问题,实现数字世界与物理世界对接的工业系统,即为常说的信息物理系统。这些系统正结合使用大模拟数据 (Big Analog Data) 解决方案,并通过数据和分析掌握更深度信息。试想工业系统能够调整自己的环境乃至自己的健康状况。机械设备不会一直使用到出现故障,而是调度自己的维护工作,甚至是动态调整自己的控制算法以弥补磨损部件,然后将该数据通告给其他机器设备和使用这些机器设备的操作人员。



1 - 智能系统和物联网的三大基本支柱:智能边缘系统、多个系统中的单个系统和端到端分析。设备将变得越来越智能,并由软件进行定义。


在此基础上,图1所示的物联网领域还可以进一步细分为三个部分:智能边缘(传感器/执行器)、System of Systems
(SoS),以及在满足时延、同步和可靠性要求的同时支持所有连接和数据分析的端对端分析功能。通常,这些智能产品由不同厂商生产,因此所使用的嵌入式处理器、协议和软件各不相同。贯穿整个设计周期直到最终部署过程的产品集成是一项关键挑战实现全联网的世界需要采用基于平台的方法。   

基于平台的设计

基于平台设计概念源于形式化建模技术、明确定义的抽象层次和关注点分离,以实现有效的设计流程。所有这些因素对设计和构建
IoT
系统至关重要。其旨在为工程师提供合适的抽象层次,以及到其他采用不同软件语言(或框架)和不同硬件协议的元件和子系统的连接。在过去四十年里,国家仪器提供了众多强大灵活的技术解决方案,助力工程师和科研人员提升生产力、创新及开发能力。国家仪器大力投资开发一体化软硬件平台,以帮助医疗保健、汽车、消费类电子、粒子物理等领域的广大客户降低设计复杂性。



2 - NI LabVIEW
的可重配置
I/O(RIO) 架构基于四大组件之上:如处理器、可重配置FPGA、模块化
I/O
硬件和图形设计软件。


具体而言,图
2
所示的
NI LabVIEW
可重配置I/O(RIO) 架构充分发挥开放性
LabVIEW
软件和商用现成 (COTS) 硬件的优势,为设计和构建
IoT
系统提供通用架构。近期
LabVIEW RIO
再度融合赛灵思
Zynq®-7000 All Programmable SoC
平台。这样通过引入
Linux
实时操作系统 (RTOS) 以及采用相同芯片组创建同时覆盖学术界和工业界的平台,将不断促进开放性和可扩展性。将
LabVIEW RIO
架构与
NI DIAdem

NI InsightCM
等技术结合用于数据管理和数据汇聚,客户可以在整个产品设计周期中设计、构建和测试
IoT
设备,运用通用平台和架构开展预防性维护工作。

用于医疗保健的智能边缘传感器

物联网已经正在显著地影响我们的生活。我们已经变得越来越依赖智能电话和平板电脑等个人设备以及雀巢的恒温器和飞利浦的
Hue
灯泡等家用设备。与此同时,使用智能联网传感器让患者将数据传送给医疗基础设施进行诊断和预后判断的医疗保健物联网市场板块,到
2020
年市值有望达到
1,170
亿美元。保健可穿戴产品和智能手表等设备刚刚进入市场,研究人员正在积极开发用于居家康复乃至智能假肢的技术。  

在这个市场上的
Cyberlegs
项目是一个由意大利圣安娜高等学校生物机器人研究所的
Paolo Dario
教授牵头的欧洲
FP-7
级项目。该项目的目的是为膝上截肢患者开发用于下肢功能替换的人工认知系统。其目标是开发出一种多自由度系统,能够替换下肢并以其他方式辅助病患。
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