工業物聯網傳感器系統設計師指南

作者：Rich Quinnell，特別項目編輯

現代工業系統的關鍵組件是向控制器、監視器和其他運行工廠的操作技術提供數據的傳感器。傳感器聯網已經使用多年，但互聯網的出現擴大了使用傳感器系統的機遇和挑戰。隨著傳感器成為工業物聯網 (IIoT) 的一部分，設計機遇和挑戰也隨之擴大。

傳感器在現代工廠中扮演著各種各樣的角色。除了為過程控制提供數據外，它們還有助于質量評估、資產跟蹤甚至工人安全。強大的基于云的分析軟件和人工智能的出現還允許使用傳感器數據通過流程優化和預測性維護來降低生產成本。一旦路由到互聯網，傳感器數據就可以用于從供應管理到全球生產資源協調的各種用途。

為了滿足這些眾多目的，有多種傳感器類型可供選擇，并且不斷推出新的和改進的版本。照明、溫度、運動、位置、存在、視覺、力、流量和化學成分是最常見的傳感器類型。幾乎每種類型的過程或環境條件都有適合其測量的傳感器類型，可從TE Connectivity 等廣泛的投資組合公司和Aceinna等專業供應商處獲得。

行業中使用的傳感器類型多種多樣，需要連接到物聯網。（圖片：后景）

傳統上，眾多傳感器類型提供的信息仍然是本地資源，僅限于單個設施甚至單個機器。然而，低成本、廣域連接選項的出現為從全球任何地方訪問傳感器數據打開了大門。這種可訪問性為利用傳感器數據和信息解鎖了大量選項。立即引起廣泛關注的是預測性維護，其中運行強大分析算法的遠程計算機（在云中的某處）使用傳感器數據近乎實時地確定機器的健康狀況，以便在設備發生故障之前識別緊急維護需求。

不幸的是，將傳感器連接到互聯網并對數據做一些有用的事情并不是特別容易，尤其是在處理遺留傳感器系統時。工業傳感器使用多種協議將數據發送給傳統用戶。然而，互聯網需要 TCP/IP 格式的數據，因此至少需要進行協議轉換?？赡苄枰€器或網關來整合和集中數據，尤其是在許多傳感器需要連接的情況下。并且數據必須有目的地，這意味著使用某種云服務至少存儲數據以供以后檢索，并且通常執行數據處理。

當然，這種連接方式是雙向的，因此將傳感器連接到網絡提供了遠程配置和控制的機會。它還引發了確保發送的數據和傳入的控制命令的安全性的需求（請參閱 EE Times：?工業物聯網被黑客入侵的那一天）。驗證、配置和監控傳感器群的狀態是連接性產生的額外需求。因此，IIoT 工業傳感器實際上是硬件和軟件的復雜集合，跨越了從邊緣設備到云端服務的鴻溝。建立這個集合的方式因情況而異。幸運的是，可供設計師申請的產品和服務也有很大差異。

將傳感器系統引入 IIoT 需要復雜的硬件和軟件生態系統。（圖片：顛覆性技術）

對于許多開發人員而言，傳統傳感器系統將成為 IIoT 候選者。工業設備的使用壽命通常以幾十年來衡量，因此有大量已安裝的傳感器基礎需要轉換為互聯網連接。開發人員可以從添加智能無線電模塊開始，例如來自Link Labs的那些，這些模塊可以利用現有的傳感器接口并提供必要的協議轉換和連接。還有多種無線電網絡可供選擇，包括 Wi-Fi、藍牙、LoRaWAN 和蜂窩網絡。然后，連接遺留系統的開發人員將需要從眾多提供工業服務的云服務提供商和分析軟件提供商中進行選擇。

對于新的系統設計，有多種選擇。當然，一種是使用類似于遺留系統的設計方法，從裸傳感器開始。必須添加一個控制器來提供傳感器接口和數據安全，以及一個無線電來處理網絡連接。與遺留系統一樣，設計人員必須隨后安排云服務。

然而，開發人員在創建新系統時不需要完全從頭開始工作。已經出現了幾種基于平臺的方法，它們通過允許兼容組件的混合和匹配組裝來簡化傳感器、控制器和無線電組件的組合。例如由 Arm、Advantech、Bosch Sensortec、Sensirion 和 Texas Instruments 聯合開發的M2.COM 平臺。該平臺使用標準化的外形和接口，允許開發人員從眾多不同供應商中選擇符合要求的傳感器和無線模塊，然后簡單地將它們連接在一起，安裝平臺的物聯網軟件代理，并開發他們的應用程序來創建傳感器然后可以與各種云平臺一起使用的模塊。

使用標準化構建塊（例如 M2.COM 平臺）時，組裝 IIoT 傳感器系統會更簡單。（圖片：M2.COM）

有幾個這樣的云平臺是專門為滿足不自己制造傳感器模塊的供應商的工業傳感器需求而創建的。其中包括Akoom和Kaa IoT Technologies等較小的公司，PTC ThingWorx平臺等更成熟的參與者，以及GE 的物聯網軟件和西門子的 Mindsphere平臺等行業巨頭。

開發人員也可以選擇放棄開發自己的智能傳感器模塊，而選擇從更高級別的構建塊開始。Disruptive Technologies、Episensor和Zenseio等公司提供具有內置控制器和無線電功能的完全集成的智能傳感器。Axzon（前身為 RFMicro）的一種不同尋常的方法是在傳感器模塊中使用 RFID，從而避免了無線頻譜管理的需要，但需要使用手持設備進行主動掃描以檢索數據并將其發送到互聯網。M2.COM 的創始人之一研華科技還通過其Wzzard系列提供完整的智能傳感器模塊，其中包括 LoRA 和網狀網絡方法。

一個完整的 IIoT 傳感器系統，例如 Advantech Wzzard 系列的這個成員，將傳感器、控制器和無線鏈路集成到一個堅固的封裝中。（圖片：研華）

然而，所有這些集成智能傳感器產品的共同點是，供應商不僅僅提供智能連接傳感器。他們還提供網關和軟件，以與云平臺服務提供商兼容的形式將數據安全地傳輸到云端。如果可用模塊之一滿足他們的傳感需求，這將減輕設計人員建立 IIoT 傳感器系統所需的所有硬件工作量。

將智能傳感器系統與確保安全以及從 IIoT 傳感器系統管理和提取可操作情報所需的許多軟件服務結合起來所需的系統集成仍然很重要。為了減輕設計人員的這種負擔，許多公司現在提供完整的端到端軟件包，從傳感器到云設備管理和分析服務。有些是較小的產品，例如?IoTiniI2OT 系列，它主要提供環境傳感器以及通用模擬和數字傳感器接口。QBurst將其傳感器專注于監控應用而不是工業控制。

但邊緣通過云的 IIoT 傳感器系統市場也有一些主要參與者。這些公司通常提供各種傳感器和配置，通常還提供定制設計支持。例如， ABB通過其 ABB Ability 計劃提供端到端和閉環系統。Bosch-Sensortec提供多種通用傳感器模塊并支持 M2.COM 開發方法。羅克韋爾自動化的Allen-Bradley部門還利用其 IO-Link 無線電技術提供通用傳感器以及更專業的壓力和圖像傳感器。