IoT潛力巨大，將給我們的生活帶來(lái)深遠的影響。國家儀器的客戶(hù)在開(kāi)發(fā)、部署和優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)核心部件（如消費類(lèi)/工業(yè)產(chǎn)品與系統）以及將這些產(chǎn)品與系統連接在一起的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)基礎設施方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。 

 

國家儀器和賽靈思長(cháng)達十多年的技術(shù)合作推出了眾多強大工具，助力工程師和科研人員開(kāi)拓創(chuàng )新、重塑世界。從NI FlexRIO模塊到CompactRIO控制器，以及NI模塊上系統(SoM)和myRIO設備，國家儀器已經(jīng)在其連續數代最先進(jìn)的產(chǎn)品上采用了賽靈思最新幾代器件。對幫助創(chuàng )新人員使用一體化軟硬件平臺設計、構建和測試這些智能化設備，國家儀器深感自豪。

 

圖1 - 智能系統和物聯(lián)網(wǎng)的三大基本支柱：智能邊緣系統、多個(gè)系統中的單個(gè)系統和端到端分析。設備將變得越來(lái)越智能，并由軟件進(jìn)行定義。

 

據Gartner公司提供的數據來(lái)看，2015年估計將有49億聯(lián)網(wǎng)設備投入使用，到2020年將增至250億。這些聯(lián)網(wǎng)系統的覆蓋范圍廣，從智能工廠(chǎng)的機械設備、汽車(chē)中的高級駕駛輔助系統 (ADAS)，到智能城市中的電網(wǎng)以及有助于延年益壽的保健可穿戴設備，無(wú)所不有。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特征可描述為大量彼此通信，協(xié)調數據分析和行為，以提升工業(yè)績(jì)效、造福整個(gè)社會(huì )的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)系統。

 

通過(guò)傳感器和執行器解決復雜的控制問(wèn)題，實(shí)現數字世界與物理世界對接的工業(yè)系統，即為常說(shuō)的信息物理系統。這些系統正結合使用大模擬數據 (Big Analog Data) 解決方案，并通過(guò)數據和分析掌握更深度信息。試想工業(yè)系統能夠調整自己的環(huán)境乃至自己的健康狀況。機械設備不會(huì )一直使用到出現故障，而是調度自己的維護工作，甚至是動(dòng)態(tài)調整自己的控制算法以彌補磨損部件，然后將該數據通告給其他機器設備和使用這些機器設備的操作人員。

 

在此基礎上，圖1所示的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域還可以進(jìn)一步細分為三個(gè)部分：智能邊緣（傳感器/執行器）、System of Systems(SoS)，以及在滿(mǎn)足時(shí)延、同步和可靠性要求的同時(shí)支持所有連接和數據分析的端對端分析功能。通常，這些智能產(chǎn)品由不同廠(chǎng)商生產(chǎn)，因此所使用的嵌入式處理器、協(xié)議和軟件各不相同。貫穿整個(gè)設計周期直到最終部署過(guò)程的產(chǎn)品集成是一項關(guān)鍵挑戰實(shí)現全聯(lián)網(wǎng)的世界需要采用基于平臺的方法。  

 

基于平臺設計概念源于形式化建模技術(shù)、明確定義的抽象層次和關(guān)注點(diǎn)分離，以實(shí)現有效的設計流程。所有這些因素對設計和構建IoT系統至關(guān)重要。其旨在為工程師提供合適的抽象層次，以及到其他采用不同軟件語(yǔ)言（或框架）和不同硬件協(xié)議的元件和子系統的連接。在過(guò)去四十年里，國家儀器提供了眾多強大靈活的技術(shù)解決方案，助力工程師和科研人員提升生產(chǎn)力、創(chuàng )新及開(kāi)發(fā)能力。國家儀器大力投資開(kāi)發(fā)一體化軟硬件平臺，以幫助醫療保健、汽車(chē)、消費類(lèi)電子、粒子物理等領(lǐng)域的廣大客戶(hù)降低設計復雜性。

 

圖2 - NI LabVIEW的可重配置I/O(RIO) 架構基于四大組件之上：如處理器、可重配置FPGA、模塊化I/O硬件和圖形設計軟件。

 

具體而言，圖2所示的NI LabVIEW可重配置I/O(RIO) 架構充分發(fā)揮開(kāi)放性L(fǎng)abVIEW軟件和商用現成 (COTS) 硬件的優(yōu)勢，為設計和構建IoT系統提供通用架構。近期LabVIEW RIO再度融合賽靈思Zynq-7000 All Programmable SoC平臺。這樣通過(guò)引入Linux實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)以及采用相同芯片組創(chuàng )建同時(shí)覆蓋學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的平臺，將不斷促進(jìn)開(kāi)放性和可擴展性。將LabVIEW RIO架構與NI DIAdem和NI InsightCM等技術(shù)結合用于數據管理和數據匯聚，客戶(hù)可以在整個(gè)產(chǎn)品設計周期中設計、構建和測試IoT設備，運用通用平臺和架構開(kāi)展預防性維護工作。

 

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)正在顯著(zhù)地影響我們的生活。我們已經(jīng)變得越來(lái)越依賴(lài)智能電話(huà)和平板電腦等個(gè)人設備以及雀巢的恒溫器和飛利浦的Hue燈泡等家用設備。與此同時(shí)，使用智能聯(lián)網(wǎng)傳感器讓患者將數據傳送給醫療基礎設施進(jìn)行診斷和預后判斷的醫療保健物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)板塊，到2020年市值有望達到1,170億美元。保健可穿戴產(chǎn)品和智能手表等設備剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，研究人員正在積極開(kāi)發(fā)用于居家康復乃至智能假肢的技術(shù)。 

 

在這個(gè)市場(chǎng)上的Cyberlegs項目是一個(gè)由意大利圣安娜高等學(xué)校生物機器人研究所的Paolo Dario教授牽頭的歐洲FP-7級項目。該項目的目的是為膝上截肢患者開(kāi)發(fā)用于下肢功能替換的人工認知系統。其目標是開(kāi)發(fā)出一種多自由度系統，能夠替換下肢并以其他方式輔助病患。

 

圖3 - 意大利的Cyberlegs項目已開(kāi)發(fā)出一套人工識別系統，用以替代下肢并進(jìn)行康復訓練。

 

負責開(kāi)發(fā)和集成Cyberlegs系統的Nicola Vitiello博士曾廣泛地使用CompactRIO開(kāi)發(fā)最初的原型和驗證子系統和控制算法，以預測不同患者的準確行走步態(tài)（見(jiàn)圖3）。在NI SOM中利用Zynq SoC的可擴展性，可顯地縮小所需封裝尺寸和功耗。Vitiello充分利用該平臺的自適應性，讓傳感器和執行器更具智能，從而為假肢配備了一個(gè)可以完全活動(dòng)的膝蓋。這一發(fā)展讓患者活動(dòng)更自如一些，比如上下樓梯和上下坡。

 

Gartner估計很快地球上的聯(lián)網(wǎng)設備的數量就會(huì )超過(guò)人類(lèi)的數量。到2022年，每個(gè)家庭都會(huì )擁有超過(guò)500個(gè)聯(lián)網(wǎng)設備，通信基礎設施必須能夠處理其產(chǎn)生的35ZB數據。隨著(zhù)新的智能設備不斷推向市場(chǎng)以及新的通信標準和協(xié)議層出不窮，企業(yè)需要確保采用一種可擴展的框架來(lái)設計這些M2M通信解決方案，并對其進(jìn)行原型設計和測試，才能在競爭中始終穩居領(lǐng)先地位。  

 

傳統的自動(dòng)測試設備 (ATE) 經(jīng)優(yōu)化后，可用來(lái)測試遵循了摩爾定律的技術(shù)，而且在這方面它做得非常好。但在過(guò)去的幾十年里，發(fā)生了一種微妙的變化，在IC中集成越來(lái)越多的模擬技術(shù)，導致測試挑戰遠遠超出摩爾定律范疇。針對IoT的創(chuàng )新要求，測試工程師的任務(wù)包括對混合信號系統（同時(shí)包括來(lái)自傳感器、RF天線(xiàn)等的數字和模擬信號）進(jìn)行驗證，并且要在消費品數量級上確保盡可能低的價(jià)格。面對未來(lái)的測試挑戰，傳統ATE難以應付。對于IoT的智能設備，測試工程師將需要智能ATE。ST-Ericsson就是其中的典范。

 

ST-Ericsson在智能電話(huà)和平板電腦的半導體開(kāi)發(fā)領(lǐng)域堪稱(chēng)業(yè)界領(lǐng)先者。它的開(kāi)發(fā)和測試中心遍及世界各地，并且擁有多個(gè)特性描述實(shí)驗室，用于測試和驗證公司產(chǎn)品中使用的RF組件和平臺。這些平臺通常內置多種無(wú)線(xiàn)電，例如GPS、藍牙、3G和4G等。對單個(gè)測試設備，平臺大約需要進(jìn)行80萬(wàn)次測量。由于ST-Ericsson開(kāi)發(fā)的芯片極其復雜，這不僅要求驗證實(shí)驗室擁有能夠支持各種RF標準的高靈活度，而且還具有足夠高的性能來(lái)完成非常嚴格的測試。甚至與這些芯片實(shí)現接口連接也需要多重標準和定制數字協(xié)議。傳統的盒式儀器，如RF分析儀、生成器和數字模式發(fā)生器不但體積大、成本高，而且不夠靈活。

 

ST-Ericsson的測試工程師已經(jīng)用NI PXI平臺更換了他們的傳統盒式儀器，并選擇使用內置 Xilinx Virtex-5 FPGA的NI FlexRIO與各種不同數字標準進(jìn)行通信，例如串行外設接口(SPI)和內部集成電路(I2C)等通信。當數字適配器模塊不可用時(shí)，團隊可迅速進(jìn)行自有開(kāi)發(fā)，而無(wú)需擔心連接PC的后端以及與FPGA的通信。該公司報告稱(chēng)，總體而言，基于PXI的系統與前代解決方案相比速度快10倍，成本銳降三倍。此外，PXI平臺還可提供能滿(mǎn)足多種數字和RF標準要求的靈活性。

 

在飛機制造領(lǐng)域居領(lǐng)先地位的空中客車(chē)(Airbus)正在發(fā)起一項旨在推廣新興技術(shù)的研究技術(shù)項目，以進(jìn)一步加強空中客車(chē)公司在制造工藝（手工操作如今仍占主導地位）領(lǐng)域的競爭力?？罩锌蛙?chē)的“未來(lái)工廠(chǎng)”意味著(zhù)廣泛使用基于COTS模塊、具有高度抽象層次的模塊化平臺，如圖4所示。在“未來(lái)工廠(chǎng)(Factory of the Future)”中，更智能的工具是提升效率至關(guān)重要的組件。這些智能設備可與主要的基礎設施或在本地與操作人員進(jìn)行通信，但僅在需要的時(shí)候提供狀態(tài)感知，并根據網(wǎng)絡(luò )中的本地和分布式智能制定實(shí)時(shí)決策。

 

圖4 - “未來(lái)工廠(chǎng)”將要求具備分布式聯(lián)網(wǎng)處理能力和I/O功能，以便為制造中需要使用的工具和設備增添智能化的功能。

 

在生產(chǎn)設備中，智能工具能夠通過(guò)避免使用物理數據日志和手冊，幫助簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，提高效率。操作人員必須集中精力執行自己的作業(yè)任務(wù)，在這個(gè)過(guò)程中他們需要騰出手來(lái)使用合適的工具。大多數空中客車(chē)之前的無(wú)紙化項目措施旨在限制紙張使用，或是用平板電腦取代紙張。但他們仍然在使用被動(dòng)的“死”數據。

 

智能工具提供了一種替代方案，即情景數據。這種數據的生成和使用是連續不斷的，換言之就是活的數據?？罩锌蛙?chē)測試了基于Zynq SoC的NI SOM，作為所有這些智能工具的基礎平臺。使用NI SOM能加快從設計到原型設計再到部署的開(kāi)發(fā)流程。在基于NI SOM上開(kāi)發(fā)之前，空中客車(chē)曾圍繞基于Zynq SoC的CompactRIO控制器 (NI cRIO-9068) 進(jìn)行了原型設計，使他們能夠集成來(lái)自現有空中客車(chē)數據庫和開(kāi)源算法的IP，從而對概念進(jìn)行迅速驗證。由于能靈活地使用圖形化和文本編程，加上可將第三方開(kāi)發(fā)成果移植到 Xilinx Zynq SoC和NI Linux RTOS上進(jìn)行重用，NI SOM為開(kāi)發(fā)這些工具提供了完美的抽象層次?？罩锌蛙?chē)工程師現在能將他們在NI SOM上開(kāi)發(fā)的代碼作為已部署的解決方案進(jìn)行重用，而不必重新開(kāi)始整個(gè)設計流程。

 

空中客車(chē)評估了數種SOM和嵌入式單板計算機(SBC)，發(fā)現沒(méi)有能匹敵國家儀器的基于平臺設計方法和軟硬件集成方法。 空中客車(chē)工程師估計，在國家儀器系統設計方法帶來(lái)的生產(chǎn)力的幫助下，尤其是在NI Linux Real-Time和LabVIEW FPGA模塊的幫助下，交付NI SOM所需時(shí)間僅為使用其他方法的十分之一。由于NI SOM提供了軟件，因而空中客車(chē)能夠更專(zhuān)注于系統主要特性的開(kāi)發(fā)，如FPGA上的圖像處理。

 

另一項重要的工業(yè)IoT應用是可再生能源。隨著(zhù)化石燃料發(fā)電廠(chǎng)停運，可再生能源的需求迅猛增長(cháng)。電網(wǎng)運營(yíng)商發(fā)現傳統的測量系統覆蓋范圍有限,無(wú)法有效處理這些新挑戰或管理他們面臨的新風(fēng)險。為英國近2,000萬(wàn)人口供電的輸電系統運營(yíng)商“英國國家電網(wǎng)公司”正在部署一種先進(jìn)的可升級電網(wǎng)測量系統，為英國電網(wǎng)的運行狀況提供更高質(zhì)量的運營(yíng)數據。

 

圖5 - 采用面向智能設備且具備開(kāi)放式、可擴展方法的智能電網(wǎng)架構可幫助電網(wǎng)工程師迅速響應日新月異的測量和控制需求。

 

與眾多能源提供商一樣，英國國家電網(wǎng)公司面臨的挑戰來(lái)自于瞬息萬(wàn)變的電網(wǎng)。因此公司正專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)靈活的解決方案，以便能夠根據電網(wǎng)測量的需要和可用數據量的演變采用最新軟件進(jìn)行升級（見(jiàn)圖5）。從各個(gè)電網(wǎng)區域采集可靠的實(shí)時(shí)數據，對盡早發(fā)現問(wèn)題，避免供電中斷至關(guān)重要。為保持電網(wǎng)一致地運行，運營(yíng)商必須能從各類(lèi)測量中采集數據，并迅速從這些數據中獲得深度信息，以用于監控電網(wǎng)的總體健康狀況。 軟件設計系統可提供定制化測量解決方案，在將來(lái)出現新電網(wǎng)現代化挑戰時(shí)可進(jìn)行升級。

 

為應對這些挑戰，英國國家電網(wǎng)采用的平臺構建在基于Zynq SoC的CompactRIO系統上。不僅能提供更豐富的測量，同時(shí)還能適應電網(wǎng)未來(lái)數代的演進(jìn)發(fā)展需要。這個(gè)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò )包括136套系統，其中的110套被永久性地安裝在遍布英格蘭和威爾士的變電站中，另外的26套便攜式單元用于根據需要相應提供移動(dòng)地點(diǎn)覆蓋。完全相同的軟件應用可同時(shí)運行在兩個(gè)版本中，從而能最大限度地減少對系統集成、培訓和技術(shù)支持的影響。英國國家電網(wǎng)公司的工程師采用靈活的開(kāi)放式軟件設計儀器，能夠定制用于電網(wǎng)運營(yíng)的信息，并根據需求變化輕松進(jìn)行升級。這一方法在減少所需設備數量的同時(shí)，還能改善電網(wǎng)監測質(zhì)量和可靠性。此外利用CompactRIO提供的先進(jìn)處理功能，英國國家電網(wǎng)公司能輕松地維護自己的聯(lián)網(wǎng)系統網(wǎng)絡(luò )，讓智能深入電網(wǎng)，把海量原始數據轉化成有用信息，讓英國的大小企業(yè)和千家萬(wàn)戶(hù)燈火通明。

 

更智能聯(lián)網(wǎng)世界的構思是讓有傳感器和本地處理能力的系統彼此互連，共享信息。這一構思正在每個(gè)行業(yè)生根發(fā)芽。這些IIoT系統將在全球范圍內與用戶(hù)相連乃至彼此互連，幫助用戶(hù)做出更加明智的決策。開(kāi)發(fā)和部署這些系統將需要在未來(lái)數十年里進(jìn)行大量投資。滿(mǎn)足今天和未來(lái)需求的唯一途徑就是部署足夠靈活的網(wǎng)絡(luò )系統，能通過(guò)基于平臺的方法實(shí)現演進(jìn)發(fā)展和滿(mǎn)足適應性需求。在眾多應用中部署 Xilinx Zynq SoC等高度靈活的統一硬件架構，不僅可顯著(zhù)簡(jiǎn)化硬件，而且還能讓每個(gè)新的問(wèn)題主要通過(guò)軟件解決。同樣的原則必須應用于軟件工具，以形成強大的軟硬件平臺，從而開(kāi)發(fā)出統一的解決方案?；谄脚_的有效方法不以軟件或硬件為重點(diǎn)，而是以重本身所包含的創(chuàng )新為重點(diǎn)。

 

對于每一個(gè)人來(lái)說(shuō)，現行的IIoT設計在業(yè)務(wù)與技術(shù)方面都是一個(gè)巨大的商機。全球各地的組織機構都在為定義IIoT不懈努力，同時(shí)他們也在積極搜集用例，以便能更全面地理解如何才能最高效地實(shí)現更多的創(chuàng )新。雖然工程師和科技人員已經(jīng)在IIoT的領(lǐng)先地帶實(shí)施系統，但他們仍面臨大量的未知領(lǐng)域，還有大量工作在前面等著(zhù)他們。工程師和科技人員必須開(kāi)始集中采用基于平臺的方法，通過(guò)參與這些可定義未來(lái)的工作的機構而成為IIoT規范制定的一份子，從而確保業(yè)務(wù)的重心是創(chuàng )新，而不僅僅是集成。