摘要：今天，為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 環(huán)境建立、部署和配置應(yīng)用，對(duì)很多用戶而言仍然是復(fù)雜和昂貴的。VersaSense 公司的 Micro Plug-and-Play (MicroPnP) 平臺(tái)解決了這種復(fù)雜性問(wèn)題，提供了零配置和完全基于標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，從根本上降低了大規(guī)模獲得、建立和運(yùn)行用于無(wú)線檢測(cè)和傳動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本。MicroPnP 整合了真正即插即用 (Plug-and-Play) 的集成外部檢測(cè)與傳動(dòng)設(shè)備和凌力爾特的 SmartMesh IP™，提供了超低功率和可靠的無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。MicroPnP 在 2015 國(guó)際 IPSO 競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，目前正在成功用于世界各地的商用 IoT 環(huán)境中。

引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 (例如智能工廠或智慧城市) 需要大量配備了各種傳感器和傳動(dòng)器的無(wú)線嵌入式設(shè)備。人們常常期望這些設(shè)備在嚴(yán)酷的 RF 環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)周期性地獲取環(huán)境或工業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)。不幸的是，目前一代工業(yè)檢測(cè)解決方案需要大量的開(kāi)發(fā)、安裝、集成和管理工作，以大規(guī)模部署堅(jiān)固的 IoT 系統(tǒng)。因此，大多數(shù)用戶都在努力解決這種復(fù)雜性以及與其相關(guān)的成本問(wèn)題，結(jié)果未能最大限度提高投資回報(bào)。所以，為了顯著降低工業(yè) IoT 環(huán)境的總體擁有成本，所需要的解決方案既要能夠方便地集成第三方外部檢測(cè)設(shè)備，又要能夠整合現(xiàn)有應(yīng)用，還要能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、安全且功率超低的網(wǎng)絡(luò)，以及提供收集和存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)的在線云服務(wù)。

本文介紹了 MicroPnP 平臺(tái) (圖 1)，該平臺(tái)由 VersaSense 公司提供，是符合標(biāo)準(zhǔn)的低功率檢測(cè)即服務(wù) (Sensing-as-a-Service) 式解決方案，MicroPnP 平臺(tái)真正實(shí)現(xiàn)了外部檢測(cè)和傳動(dòng)設(shè)備的即插即用式集成、能夠跨不同地點(diǎn)每天 24 小時(shí)不間斷且可擴(kuò)展地監(jiān)視和控制設(shè)備、并提供安全的端到端通信。與傳統(tǒng)工業(yè) IoT 解決方案相比，MicroPnP 用完全不同的方法消除了開(kāi)發(fā)和管理復(fù)雜性，因此顯著降低了工業(yè) IoT 系統(tǒng)的總體擁有成本。

外部設(shè)備的真正即插即用式集成是通過(guò)無(wú)源電子組件實(shí)現(xiàn)的，這些組件形成了一種高效率機(jī)制，隨著時(shí)間推移檢測(cè)和識(shí)別新連接的外部檢測(cè)或傳動(dòng)設(shè)備。而 MicroPnP 的整套軟件則為安全的設(shè)備交付、自動(dòng)空中固件升級(jí)和 API (用于集成檢測(cè)到的外部設(shè)備數(shù)據(jù)與在線云服務(wù)) 提供了解決方案。最后，MicroPnP 采用凌力爾特公司的 SmartMesh IP，提供同類最佳的無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，甚至在嚴(yán)酷的 RF 環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99.999% 的網(wǎng)絡(luò)可靠性，同時(shí)保持為期 10 年的電池壽命。

圖 1：MicroPnP 平臺(tái)

MicroPnP 是通過(guò) 10 年學(xué)術(shù)研究取得的成果，在 2015 國(guó)際 IPSO Challenge 上獲獎(jiǎng)，這是由 IPSO 聯(lián)盟舉辦的一項(xiàng)年度全球性競(jìng)賽。為開(kāi)發(fā)下一代智能物體 (Smart Object)，IPSO 聯(lián)盟積極推進(jìn)開(kāi)放協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn) [例如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 和有關(guān)的 IETF 協(xié)議] 的使用。目前，MicroPnP 正在成功地用于世界各地的工業(yè)環(huán)境中，包括數(shù)據(jù)中心監(jiān)視、精確的畜牧養(yǎng)殖以及石油和天然氣行業(yè)的監(jiān)測(cè)。

MicroPnP 解決方案簡(jiǎn)明介紹

MicroPnP 提供一個(gè)一致的硬件和軟件工具包，該工具包可對(duì)進(jìn)入 IoT 的嵌入式外部檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和配置，提供達(dá)到極致的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠性和電池壽命。關(guān)鍵的與眾不同之處包括：

1) 零配置即插即用式外部設(shè)備集成。MicroPnP 自動(dòng)識(shí)別所有連接的嵌入式外部檢測(cè)和傳動(dòng)設(shè)備，并安裝相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器軟件。這種方法依靠低功率無(wú)源電子組件，識(shí)別一個(gè)外部設(shè)備所消耗的功率是 USB 或 FireWire 等傳統(tǒng)解決方案的 100 萬(wàn)分之一。此外，這種方法成本非常低，也非常靈活，允許任何現(xiàn)有 IoT 傳感器或傳動(dòng)器立即被重新包裝成 MicroPnP 外部設(shè)備。

2) 自動(dòng)進(jìn)行軟件安裝和維護(hù)。一旦一個(gè)外部設(shè)備插入到 MicroPnP 設(shè)備中，就會(huì)自動(dòng)請(qǐng)求將所有對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器軟件送到網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)中，接下來(lái)再通過(guò)空中安裝驅(qū)動(dòng)器軟件。從這時(shí)開(kāi)始，該外部設(shè)備就可以全面發(fā)揮作用，并可用來(lái)供最終用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程互動(dòng)。為了進(jìn)一步適應(yīng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員，網(wǎng)絡(luò)管理器會(huì)顯示 RESTful API，以方便查詢所有設(shè)備，并直接將傳感器數(shù)據(jù)推送到云中。

3) 極低功率的超可靠網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)級(jí)，MicroPnP 與凌力爾特的 SmartMesh IP 嵌入式無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)相集成。SmartMesh IP 是 IEEE 802.15.4e 時(shí)隙通道跳頻 (TSCH) 模式的商用實(shí)現(xiàn)方案，提供高性能和網(wǎng)格功能并支持易于使用的 IPv6。為了在面對(duì) RF 干擾、多徑衰落以及其他環(huán)境因素時(shí)確保很高的數(shù)據(jù)可靠性，TSCH 整合了基于預(yù)留的時(shí)分多址 (TDMA) 方法和通道跳頻。通過(guò)連續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并針對(duì)每一個(gè)設(shè)備優(yōu)化 TSCH 時(shí)間表，MicroPnP 網(wǎng)絡(luò)能夠用一對(duì) AA 電池自主運(yùn)行長(zhǎng)達(dá) 10 年之久。

4) 通過(guò)使用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議避免廠商鎖定。每個(gè)設(shè)備上的 MicroPnP 協(xié)議棧都完全符合 IEEE、IETF 和 IPSO 標(biāo)準(zhǔn)要求，因此非常容易與第三方解決方案集成。在鏈路層，SmartMesh IP 采用 IEEE 802.15.4e TSCH，同時(shí)，支持 IPv6 的傳統(tǒng) IoT“上協(xié)議棧”由 IETF-6LoWPAN、UDP 和 CoAP 組成。此外，每個(gè) MicroPnP 外部設(shè)備都采用 IPSO 數(shù)據(jù)模型，以處理異構(gòu)設(shè)備和第三方應(yīng)用之間的互操作性問(wèn)題。IPSO 數(shù)據(jù)模型定義一個(gè)公共的對(duì)象模型 (Object Model)，該對(duì)象模型由一個(gè) URL 模板和一套標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)類型組成，以使應(yīng)用軟件能夠與設(shè)備進(jìn)行有意義的交互，包括與其他設(shè)備中的軟件交互。

5) 毫不費(fèi)力地進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)和集成。最后，一套軟件庫(kù) (以 JavaScript、Java 和 NodeJS 形式提供) 編程訪問(wèn)支持 MicroPnP 的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)允許在最終用戶應(yīng)用和 MicroPnP 設(shè)備之間建立防 NAT 連接。由于這些庫(kù)直接與每個(gè)設(shè)備上的 MicroPnP 軟件、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和云組件集成，所以可幫助每個(gè)人在幾分鐘內(nèi)開(kāi)發(fā)出完整的 IoT 系統(tǒng)。

實(shí)用中的 MicroPnP 模型

圖 2：MicroPnP 模型

安裝和運(yùn)行一個(gè) MicroPnP 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的典型模型如下 (圖 2)：

1) 集成外部檢測(cè)和傳動(dòng)設(shè)備：一旦插入外部檢測(cè)或傳動(dòng)設(shè)備，MicroPnP 應(yīng)用電路板就自動(dòng)檢測(cè)和獲取其類型。然后，該應(yīng)用電路板向云中運(yùn)行的管理實(shí)體請(qǐng)求一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)器軟件。

2) 外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)器軟件的安裝和網(wǎng)絡(luò)集成：無(wú)論何時(shí)管理實(shí)體接收到驅(qū)動(dòng)器軟件安裝請(qǐng)求，都會(huì)自動(dòng)下載設(shè)備驅(qū)動(dòng)器軟件，并將其安裝到發(fā)出請(qǐng)求的設(shè)備上。一旦安裝完成，外部設(shè)備就可在網(wǎng)絡(luò)中使用了。

3) 按計(jì)劃訪問(wèn)和管理：最后，可重用軟件庫(kù)大幅降低了開(kāi)發(fā)成本。這些庫(kù)在遠(yuǎn)程客戶端和各個(gè) MicroPnP 設(shè)備之間提供全局雙向訪問(wèn)。這些庫(kù)為 IoT 最終用戶提供了一條簡(jiǎn)便但強(qiáng)大的快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用的途徑。

獲獎(jiǎng)和商業(yè)應(yīng)用

MicroPnP 在 2015 IPSO Challenge 競(jìng)賽上獲得第三名，該競(jìng)賽評(píng)估 IoT 應(yīng)用和原型機(jī)的創(chuàng)新性、廣泛適用性、可銷售性和易用性。2015 年 12月在美國(guó)硅谷舉行的 Designers of Things 大會(huì)上，10 家半決賽入圍公司向一個(gè)行業(yè)評(píng)審小組介紹了他們的原型機(jī)。

圖 3：進(jìn)行能源管理以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心優(yōu)化

除了參加 IPSO Challenge，MicroPnP 也正在部署于世界各地的各種檢測(cè)環(huán)境中，包括家庭能源記錄分析、數(shù)據(jù)中心優(yōu)化 (圖 3)、工業(yè)設(shè)施 (圖 4)、甚至農(nóng)場(chǎng) (圖 5) 環(huán)境。例如，在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，監(jiān)視溫度、濕度、AC 電源監(jiān)視傳感器等的即插即用式傳感器可提供環(huán)境中能源流動(dòng)的詳細(xì)信息，并監(jiān)視設(shè)備功耗，同時(shí)即插即用式傳動(dòng)器允許自動(dòng)控制設(shè)備。

圖 4：設(shè)施監(jiān)視

除了能源管理，MicroPnP 設(shè)備還用來(lái)監(jiān)視機(jī)器和工廠中的有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施 (圖 4)，檢測(cè)泄漏或機(jī)器的異常行為并實(shí)時(shí)提供警報(bào)。在這種情況下，MicroPnP 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)提供了極其可靠和可擴(kuò)展的通信媒介，這種通信媒介可擴(kuò)展至涵蓋很大范圍的工業(yè)設(shè)施，同時(shí)用一對(duì)電池就可運(yùn)行 10 年之久。

圖 5：MicroPnP 用于精確的畜牧養(yǎng)殖

最后，MicroPnP 可實(shí)現(xiàn)智能化的精確畜牧養(yǎng)殖 (圖 5)。即插即用式傳感器和傳動(dòng)器幾分鐘就可安裝完畢，能夠?qū)崟r(shí)提供有關(guān)動(dòng)物所處環(huán)境條件的高分辨率數(shù)據(jù)，包括飼料消耗、水的使用、溫度、濕度、空氣質(zhì)量和污染，從而提高了農(nóng)場(chǎng)的效率。

總結(jié)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用預(yù)計(jì)將部署在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，并可靠運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間。然而，大多數(shù)用戶都在努力解決現(xiàn)有 IoT 檢測(cè)解決方案固有的復(fù)雜性和高成本問(wèn)題。本文介紹基于凌力爾特 SmartMesh IP 嵌入式無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的 MicroPnP 平臺(tái)采用了完全不同于現(xiàn)有解決方案的方法，整合了 10 年學(xué)術(shù)研究成果和領(lǐng)先的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)了零配置。

為了大幅降低工業(yè)檢測(cè)和控制系統(tǒng)的總體擁有成本，MicroPnP 支持零配置即插即用式外部檢測(cè)和傳動(dòng)設(shè)備，這些設(shè)備可從云中管理，并非常方便地與傳統(tǒng)系統(tǒng)集成。此外，管理人員還能夠?qū)崟r(shí)查看網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)。我們的同類最佳能源管理網(wǎng)絡(luò)有 10 年的電池壽命，同時(shí)能夠保持業(yè)界要求的 99.999% 以上的網(wǎng)絡(luò)可靠性和強(qiáng)大的端到端安全性。