【導讀】在過去的十年里，我們的社會變得越來越依賴電子與通信技術。通過將這些物品或“物”嵌入在電子產(chǎn)品、軟件和傳感器中并利用連接技術將其聯(lián)在一起，便構成了物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。物聯(lián)網(wǎng)概念由技術先驅Kevin Ashton于1999年提出，指人、機器和基礎設施之間連接技術的發(fā)展將提升智能、業(yè)務洞察力、效率和創(chuàng)新水平。
IoT潛力巨大，將給我們的生活帶來深遠的影響。國家儀器的客戶在開發(fā)、部署和優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)核心部件（如消費類/工業(yè)產(chǎn)品與系統(tǒng)）以及將這些產(chǎn)品與系統(tǒng)連接在一起的有線和無線基礎設施方面發(fā)揮著關鍵作用。
國家儀器和賽靈思長達十多年的技術合作推出了眾多強大工具，助力工程師和科研人員開拓創(chuàng)新、重塑世界。從NI FlexRIO模塊到CompactRIO控制器，以及NI模塊上系統(tǒng)(SoM)和myRIO設備，國家儀器已經(jīng)在其連續(xù)數(shù)代最先進的產(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(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的三大基本支柱：智能邊緣系統(tǒng)、多個系統(tǒng)中的單個系統(tǒng)和端到端分析。設備將變得越來越智能，并由軟件進行定義。
物聯(lián)網(wǎng)面臨的重重挑戰(zhàn)
據(jù)Gartner公司提供的數(shù)據(jù)來看，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(tǒng)的覆蓋范圍廣，從智能工廠的機械設備、汽車中的高級駕駛輔助系統(tǒng) (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(diào)數(shù)據(jù)分析和行為，以提升工業(yè)績效、造福整個社會的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)系統(tǒng)。
通過傳感器和執(zhí)行器解決復雜的控制問題，實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界對接的工業(yè)系統(tǒng)，即為常說的信息物理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)正結合使用大模擬數(shù)據(jù) (Big Analog Data) 解決方案，并通過數(shù)據(jù)和分析掌握更深度信息。試想工業(yè)系統(tǒng)能夠調(diào)整自己的環(huán)境乃至自己的健康狀況。機械設備不會一直使用到出現(xiàn)故障，而是調(diào)度自己的維護工作，甚至是動態(tài)調(diào)整自己的控制算法以彌補磨損部件，然后將該數(shù)據(jù)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)領域還可以進一步細分為三個部分：智能邊緣（傳感器/執(zhí)行器）、System of Systems(SoS)，以及在滿足時延、同步和可靠性要求的同時支持所有連接和數(shù)據(jù)分析的端對端分析功能。通常，這些智能產(chǎn)品由不同廠商生產(chǎn)，因此所使用的嵌入式處理器、協(xié)議和軟件各不相同。貫穿整個設計周期直到最終部署過程的產(chǎn)品集成是一項關鍵挑戰(zhàn)實現(xiàn)全聯(lián)網(wǎng)的世界需要采用基于平臺的方法。
基于平臺的設計
基于平臺設計概念源于形式化建模技術、明確定義的抽象層次和關注點分離，以實現(xiàn)有效的設計流程。所有這些因素對設計和構建IoT系統(tǒng)至關重要。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言（或框架）和不同硬件協(xié)議的元件和子系統(tǒng)的連接。在過去四十年里，國家儀器提供了眾多強大靈活的技術解決方案，助力工程師和科研人員提升生產(chǎn)力、創(chuàng)新及開發(fā)能力。國家儀器大力投資開發(fā)一體化軟硬件平臺，以幫助醫(yī)療保健、汽車、消費類電子、粒子物理等領域的廣大客戶降低設計復雜性。
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)揮開放性LabVIEW軟件和商用現(xiàn)成 (COTS) 硬件的優(yōu)勢，為設計和構建IoT系統(tǒng)提供通用架構。近期LabVIEW RIO再度融合賽靈思Zynq-7000 All Programmable SoC平臺。這樣通過引入Linux實時操作系統(tǒng)(RTOS)以及采用相同芯片組創(chuàng)建同時覆蓋學術界和工業(yè)界的平臺，將不斷促進開放性和可擴展性。將LabVIEW RIO架構與NI DIAdem和NI InsightCM等技術結合用于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)匯聚，客戶可以在整個產(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展預防性維護工作。
用于醫(yī)療保健的智能邊緣傳感器
物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)正在顯著地影響我們的生活。我們已經(jīng)變得越來越依賴智能電話和平板電腦等個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，使用智能聯(lián)網(wǎng)傳感器讓患者將數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)療基礎設施進行診斷和預后判斷的醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)市場板塊，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入市場，研究人員正在積極開發(fā)用于居家康復乃至智能假肢的技術。
在這個市場上的Cyberlegs項目是一個由意大利圣安娜高等學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發(fā)用于下肢功能替換的人工認知系統(tǒng)。其目標是開發(fā)出一種多自由度系統(tǒng)，能夠替換下肢并以其他方式輔助病患。
圖3 - 意大利的Cyberlegs項目已開發(fā)出一套人工識別系統(tǒng)，用以替代下肢并進行康復訓練。
負責開發(fā)和集成Cyberlegs系統(tǒng)的Nicola Vitiello博士曾廣泛地使用CompactRIO開發(fā)最初的原型和驗證子系統(tǒng)和控制算法，以預測不同患者的準確行走步態(tài)（見圖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(zhí)行器更具智能，從而為假肢配備了一個可以完全活動的膝蓋。這一發(fā)展讓患者活動更自如一些，比如上下樓梯和上下坡。
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機器對機器(M2M)通信
Gartner估計很快地球上的聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量就會超過人類的數(shù)量。到2022年，每個家庭都會擁有超過500個聯(lián)網(wǎng)設備，通信基礎設施必須能夠處理其產(chǎn)生的35ZB數(shù)據(jù)。隨著新的智能設備不斷推向市場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設計這些M2M通信解決方案，并對其進行原型設計和測試，才能在競爭中始終穩(wěn)居領先地位。
傳統(tǒng)的自動測試設備 (ATE) 經(jīng)優(yōu)化后，可用來測試遵循了摩爾定律的技術，而且在這方面它做得非常好。但在過去的幾十年里，發(fā)生了一種微妙的變化，在IC中集成越來越多的模擬技術，導致測試挑戰(zhàn)遠遠超出摩爾定律范疇。針對IoT的創(chuàng)新要求，測試工程師的任務包括對混合信號系統(tǒng)（同時包括來自傳感器、RF天線等的數(shù)字和模擬信號）進行驗證，并且要在消費品數(shù)量級上確保盡可能低的價格。面對未來的測試挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)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在智能電話和平板電腦的半導體開發(fā)領域堪稱業(yè)界領先者。它的開發(fā)和測試中心遍及世界各地，并且擁有多個特性描述實驗室，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(nèi)置多種無線電，例如GPS、藍牙、3G和4G等。對單個測試設備，平臺大約需要進行80萬次測量。由于ST-Ericsson開發(fā)的芯片極其復雜，這不僅要求驗證實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完成非常嚴格的測試。甚至與這些芯片實現(xiàn)接口連接也需要多重標準和定制數(shù)字協(xié)議。傳統(tǒng)的盒式儀器，如RF分析儀、生成器和數(shù)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(tǒng)盒式儀器，并選擇使用內(nèi)置 Xilinx Virtex-5 FPGA的NI FlexRIO與各種不同數(shù)字標準進行通信，例如串行外設接口(SPI)和內(nèi)部集成電路(I2C)等通信。當數(shù)字適配器模塊不可用時，團隊可迅速進行自有開發(fā)，而無需擔心連接PC的后端以及與FPGA的通信。該公司報告稱，總體而言，基于PXI的系統(tǒng)與前代解決方案相比速度快10倍，成本銳降三倍。此外，PXI平臺還可提供能滿足多種數(shù)字和RF標準要求的靈活性。
未來工廠
在飛機制造領域居領先地位的空中客車(Airbus)正在發(fā)起一項旨在推廣新興技術的研究技術項目，以進一步加強空中客車公司在制造工藝（手工操作如今仍占主導地位）領域的競爭力?？罩锌蛙嚨?ldquo;未來工廠”意味著廣泛使用基于COTS模塊、具有高度抽象層次的模塊化平臺，如圖4所示。在“未來工廠(Factory of the Future)”中，更智能的工具是提升效率至關重要的組件。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行通信，但僅在需要的時候提供狀態(tài)感知，并根據(jù)網(wǎng)絡中的本地和分布式智能制定實時決策。
圖4 - “未來工廠”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，智能工具能夠通過避免使用物理數(shù)據(jù)日志和手冊，幫助簡化生產(chǎn)流程，提高效率。操作人員必須集中精力執(zhí)行自己的作業(yè)任務，在這個過程中他們需要騰出手來使用合適的工具。大多數(shù)空中客車之前的無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?nèi)匀辉谑褂帽粍拥?ldquo;死”數(shù)據(jù)。
智能工具提供了一種替代方案，即情景數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的生成和使用是連續(xù)不斷的，換言之就是活的數(shù)據(jù)?？罩锌蛙嚋y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發(fā)流程。在基于NI SOM上開發(fā)之前，空中客車曾圍繞基于Zynq SoC的CompactRIO控制器 (NI cRIO-9068) 進行了原型設計，使他們能夠集成來自現(xiàn)有空中客車數(shù)據(jù)庫和開源算法的IP，從而對概念進行迅速驗證。由于能靈活地使用圖形化和文本編程，加上可將第三方開發(fā)成果移植到 Xilinx Zynq SoC和NI Linux RTOS上進行重用，NI SOM為開發(fā)這些工具提供了完美的抽象層次?？罩锌蛙嚬こ處煬F(xiàn)在能將他們在NI SOM上開發(fā)的代碼作為已部署的解決方案進行重用，而不必重新開始整個設計流程。
空中客車評估了數(shù)種SOM和嵌入式單板計算機(SBC)，發(fā)現(xiàn)沒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。 空中客車工程師估計，在國家儀器系統(tǒng)設計方法帶來的生產(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，因而空中客車能夠更專注于系統(tǒng)主要特性的開發(fā)，如FPGA上的圖像處理。
智能可再生能源
另一項重要的工業(yè)IoT應用是可再生能源。隨著化石燃料發(fā)電廠停運，可再生能源的需求迅猛增長。電網(wǎng)運營商發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)覆蓋范圍有限,無法有效處理這些新挑戰(zhàn)或管理他們面臨的新風險。為英國近2,000萬人口供電的輸電系統(tǒng)運營商“英國國家電網(wǎng)公司”正在部署一種先進的可升級電網(wǎng)測量系統(tǒng)，為英國電網(wǎng)的運行狀況提供更高質(zhì)量的運營數(shù)據(jù)。
圖5 - 采用面向智能設備且具備開放式、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(zhàn)來自于瞬息萬變的電網(wǎng)。因此公司正專注于開發(fā)靈活的解決方案，以便能夠根據(jù)電網(wǎng)測量的需要和可用數(shù)據(jù)量的演變采用最新軟件進行升級（見圖5）。從各個電網(wǎng)區(qū)域采集可靠的實時數(shù)據(jù)，對盡早發(fā)現(xiàn)問題，避免供電中斷至關重要。為保持電網(wǎng)一致地運行，運營商必須能從各類測量中采集數(shù)據(jù)，并迅速從這些數(shù)據(jù)中獲得深度信息，以用于監(jiān)控電網(wǎng)的總體健康狀況。 軟件設計系統(tǒng)可提供定制化測量解決方案，在將來出現(xiàn)新電網(wǎng)現(xiàn)代化挑戰(zhàn)時可進行升級。
為應對這些挑戰(zhàn)，英國國家電網(wǎng)采用的平臺構建在基于Zynq SoC的CompactRIO系統(tǒng)上。不僅能提供更豐富的測量，同時還能適應電網(wǎng)未來數(shù)代的演進發(fā)展需要。這個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡包括136套系統(tǒng)，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(jù)需要相應提供移動地點覆蓋。完全相同的軟件應用可同時運行在兩個版本中，從而能最大限度地減少對系統(tǒng)集成、培訓和技術支持的影響。英國國家電網(wǎng)公司的工程師采用靈活的開放式軟件設計儀器，能夠定制用于電網(wǎng)運營的信息，并根據(jù)需求變化輕松進行升級。這一方法在減少所需設備數(shù)量的同時，還能改善電網(wǎng)監(jiān)測質(zhì)量和可靠性。此外利用CompactRIO提供的先進處理功能，英國國家電網(wǎng)公司能輕松地維護自己的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡，讓智能深入電網(wǎng)，把海量原始數(shù)據(jù)轉化成有用信息，讓英國的大小企業(yè)和千家萬戶燈火通明。
更智能互聯(lián)世界
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(tǒng)彼此互連，共享信息。這一構思正在每個行業(yè)生根發(fā)芽。這些IIoT系統(tǒng)將在全球范圍內(nèi)與用戶相連乃至彼此互連，幫助用戶做出更加明智的決策。開發(fā)和部署這些系統(tǒng)將需要在未來數(shù)十年里進行大量投資。滿足今天和未來需求的唯一途徑就是部署足夠靈活的網(wǎng)絡系統(tǒng)，能通過基于平臺的方法實現(xiàn)演進發(fā)展和滿足適應性需求。在眾多應用中部署 Xilinx Zynq SoC等高度靈活的統(tǒng)一硬件架構，不僅可顯著簡化硬件，而且還能讓每個新的問題主要通過軟件解決。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，從而開發(fā)出統(tǒng)一的解決方案。基于平臺的有效方法不以軟件或硬件為重點，而是以重本身所包含的創(chuàng)新為重點。
對于每一個人來說，現(xiàn)行的IIoT設計在業(yè)務與技術方面都是一個巨大的商機。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現(xiàn)更多的創(chuàng)新。雖然工程師和科技人員已經(jīng)在IIoT的領先地帶實施系統(tǒng)，但他們?nèi)悦媾R大量的未知領域，還有大量工作在前面等著他們。工程師和科技人員必須開始集中采用基于平臺的方法，通過參與這些可定義未來的工作的機構而成為IIoT規(guī)范制定的一份子，從而確保業(yè)務的重心是創(chuàng)新，而不僅僅是集成。
