零配置平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無線感測(cè)與致動(dòng)

目前為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境建立、部署和配置應(yīng)用，對(duì)很多使用者而言仍然是復(fù)雜和昂貴的。而MicroPnP平臺(tái)解決了這種復(fù)雜問題，提供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)行于無線感測(cè)和實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成本。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial IoT)應(yīng)用(如智能工廠或智能城市)需要大量配備各種傳感器和致動(dòng)器的無線嵌入式裝置。人們常常期望這些裝置在嚴(yán)苛的射頻(RF)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作，同時(shí)周期性地?cái)X取環(huán)境或工業(yè)過程數(shù)據(jù)。遺憾的是，當(dāng)前世代的工業(yè)檢測(cè)解決方案需要大量的開發(fā)、安裝、整合和管理工作，以大規(guī)模部署堅(jiān)固的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

因此，大多數(shù)用戶都在努力解決這種復(fù)雜性及其相關(guān)的成本問題，而結(jié)果卻仍無法最大限度地提高投資報(bào)酬。為了顯著降低工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的總擁有成本，所需要的解決方案必須能夠方便地整合第三方的外部感測(cè)裝置與現(xiàn)有的應(yīng)用，還要能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、安全且超低功率的網(wǎng)絡(luò)，以及收集和儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)的在線云端服務(wù)。

本文將以VersaSense公司提供的MicroPnP (Micro Plug-and-Play)平臺(tái)為例(圖1)，介紹符合標(biāo)準(zhǔn)的低功率“感測(cè)即服務(wù)”(Sensing-as-a-Service)解決方案如何實(shí)現(xiàn)感測(cè)與致動(dòng)周邊裝置的即插即用式整合、跨不同地點(diǎn)每天24小時(shí)不間斷且可擴(kuò)展地監(jiān)測(cè)與控制裝置，并提供安全的端對(duì)端通訊。相較于傳統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，MicroPnP采用完全不同的方法消除了開發(fā)和管理復(fù)雜性，從而顯著降低工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總擁有成本。

為周邊裝置實(shí)現(xiàn)真正的即插即用式整合可經(jīng)由被動(dòng)電子組件實(shí)現(xiàn)，這些組件形成了一種高效率機(jī)制，感測(cè)和辨識(shí)新的連接感測(cè)或隨時(shí)間變化的致動(dòng)周邊裝置。MicroPnP的軟件堆棧為安全的裝置運(yùn)作、自動(dòng)化空中下載(OTA)韌體更新和API(用于整合感測(cè)的周邊裝置數(shù)據(jù)與在線云端服務(wù))提供了解決方案。最后，MicroPnP采用凌力爾特科技(Linear Technology)的SmartMesh IP，提供同類最佳的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，甚至在嚴(yán)苛的RF環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)超過99.999%的網(wǎng)絡(luò)可靠性，同時(shí)維持為期10年的電池壽命。

圖 1：MicroPnP平臺(tái)

MicroPnP是歷經(jīng)10年學(xué)術(shù)研究取得的成果，在IPSO聯(lián)盟舉辦的年度全球性競(jìng)賽——2015年國(guó)際IPSO挑戰(zhàn)賽獲獎(jiǎng)。為了打造下一代智能對(duì)象(Smart Object)，IPSO聯(lián)盟積極推進(jìn)開放協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)(例如因特網(wǎng)協(xié)議IP和有關(guān)的IETF協(xié)議)的使用。目前，MicroPnP正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產(chǎn)業(yè)的監(jiān)測(cè)。

MicroPnP感測(cè)即服務(wù)平臺(tái)

MicroPnP提供一個(gè)一致的硬件和軟件工具套件，可自動(dòng)檢測(cè)和配置進(jìn)入IoT的嵌入式感測(cè)周邊裝置，提供極致的無線網(wǎng)絡(luò)可靠性和電池壽命。主要的差異之處包括：

零配置的即插即用式周邊裝置整合

MicroPnP能自動(dòng)辨識(shí)所有的連網(wǎng)嵌入式感測(cè)和致動(dòng)周邊裝置，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被動(dòng)電子組件，辨識(shí)一種周邊裝置所消耗的功率較USB或FireWire等傳統(tǒng)解決方案更低百萬(wàn)分之一。此外，這種方法的成本非常低，也十分靈活，可讓任何現(xiàn)有IoT傳感器或致動(dòng)器立即被重新封裝成MicroPnP周邊裝置。

自動(dòng)進(jìn)行軟件安裝和維護(hù)

一旦將一個(gè)周邊組件插入MicroPnP裝置，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)，隨后再透過空中下載進(jìn)行安裝。從這時(shí)開始，該周邊裝置就可以全面發(fā)揮作用，并可用于為終端用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程互動(dòng)。為了進(jìn)一步因應(yīng)應(yīng)用開發(fā)人員的需求，網(wǎng)絡(luò)管理器會(huì)顯示RESTful API，以便于查詢所有的裝置，并直接將傳感器數(shù)據(jù)推送到云端。

極低功率的超可靠網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

在網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，MicroPnP與凌力爾特科技的SmartMesh IP嵌入式無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)相互整合。SmartMesh IP是IEEE 802.15.4e時(shí)隙通道跳頻(TSCH)模式的商用建置方案，提供了高性能和網(wǎng)格功能，并支持易用的IPv6。為了在面對(duì)RF干擾、多徑衰減以及其他環(huán)境因素時(shí)能確保高度的數(shù)據(jù)可靠性，TSCH整合了基于預(yù)留的時(shí)分多址(TDMA)機(jī)制和通道跳頻。透過連續(xù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并針對(duì)每一個(gè)裝置優(yōu)化TSCH時(shí)間表，MicroPnP網(wǎng)絡(luò)能以一對(duì)AA電池自主運(yùn)作長(zhǎng)達(dá)10年之久。

透過開放標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議避免廠商鎖定

每個(gè)裝置上的MicroPnP協(xié)議堆棧都完全符合IEEE、IETF和IPSO標(biāo)準(zhǔn)要求，因此非常容易與第三方解決方案整合。在鏈路層，SmartMesh IP采用IEEE 802.15.4e TSCH，同時(shí)，支持IPv6的傳統(tǒng)IoT「上層協(xié)議堆?！褂蒊ETF-6LoWPAN、UDP和CoAP組成。此外，每個(gè)MicroPnP周邊裝置都采用IPSO數(shù)據(jù)模型，以處理異質(zhì)裝置和第三方應(yīng)用之間的互操作性問題。IPSO數(shù)據(jù)模型定義一個(gè)通用的對(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，使應(yīng)用軟件能夠與裝置進(jìn)行有意義的互動(dòng)，包括與其他裝置中的軟件互動(dòng)。

輕松進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和整合

最后，一套軟件工具庫(kù)(以 JavaScript、Java和NodeJS形式提供)提供程序化存取MicroPnP網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)允許在終端用戶應(yīng)用和MicroPnP裝置之間建立防NAT連接。由于這些工具庫(kù)直接整合每個(gè)裝置上的MicroPnP軟件堆棧、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和云端元素，所以有助于在幾分鐘內(nèi)開發(fā)出完整的IoT系統(tǒng)。

實(shí)際應(yīng)用模型

安裝和操作一個(gè)MicroPnP裝置網(wǎng)絡(luò)的典型模型如下(圖 2)：

圖 2：MicroPnP模型

整合外部檢測(cè)和致動(dòng)裝置

一旦插入感測(cè)或致動(dòng)周邊裝置，MicroPnP應(yīng)用電路板就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行感測(cè)并獲取其類型。然后再向云端操作的管理實(shí)體請(qǐng)求一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)器軟件。

周邊裝置驅(qū)動(dòng)器軟件的安裝和網(wǎng)絡(luò)整合

無論何時(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)求的裝置上。一旦安裝完成，周邊裝置就可在網(wǎng)絡(luò)中使用了。

按計(jì)劃存取與管理

最后，可重用軟件工具庫(kù)大幅降低了開發(fā)成本。這些工具庫(kù)在遠(yuǎn)程客戶端和各個(gè)MicroPnP裝置之間提供全局雙向存取，并為IoT終端用戶提供了一條簡(jiǎn)便但強(qiáng)大的快速開發(fā)應(yīng)用之途。

導(dǎo)入商業(yè)應(yīng)用

MicroPnP在2015年IPSO 挑戰(zhàn)賽上獲得第三名，該競(jìng)賽評(píng)估IoT應(yīng)用和原型的創(chuàng)新性、廣泛適用性、可銷售性以及易用性。2015年12月在美國(guó)硅谷舉行的Designers of Things大會(huì)上，10家準(zhǔn)決賽入圍公司向產(chǎn)業(yè)評(píng)審小組介紹其原型方案。

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IPSO挑戰(zhàn)賽，MicroPnP也正部署于世界各地的各種感測(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)或甚至是農(nóng)場(chǎng)(圖5)環(huán)境。例如，在數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，諸如溫度、濕度與交流(AC)電源監(jiān)控傳感器等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，以及監(jiān)測(cè)裝置功耗，同時(shí)，即插即用式致動(dòng)器還可自動(dòng)控制裝置。

圖4：設(shè)施監(jiān)控

除了能源管理應(yīng)用，MicroPnP裝置還可用于監(jiān)控機(jī)器和工廠中有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施(圖4)，偵測(cè)泄漏或機(jī)器異常行為并實(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)展的通訊媒介，可擴(kuò)展至涵蓋很大范圍的工業(yè)設(shè)施，同時(shí)以一對(duì)電池就運(yùn)作10年之久。

圖5：精確掌握畜牧養(yǎng)殖

MicroPnP還可用于實(shí)現(xiàn)智慧化的精確畜牧養(yǎng)殖(圖5)。即插即用式傳感器和致動(dòng)器幾分鐘就可安裝完畢，實(shí)時(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。

結(jié)語(yǔ)

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，而且必須可靠地運(yùn)作很長(zhǎng)時(shí)間。然而，大多數(shù)用戶都在努力解決現(xiàn)有IoT感測(cè)解決方案的復(fù)雜性和高成本等固有問題。本文以基于凌力爾特SmartMesh IP嵌入式無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的MicroPnP平臺(tái)為例，介紹一種采用不同于現(xiàn)有解決方案的新途徑，該平臺(tái)結(jié)合了10年的學(xué)術(shù)研究成果以及先進(jìn)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了零配置。

為了大幅降低工業(yè)感測(cè)和控制系統(tǒng)的總擁有成本，MicroPnP支持零配置即插即用式感測(cè)和致動(dòng)周邊裝置，可從云端進(jìn)行管理，且易于與傳統(tǒng)系統(tǒng)整合。此外，管理人員還能夠?qū)崟r(shí)查看網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作和裝置狀態(tài)。它還兼具同類最佳的能源管理網(wǎng)絡(luò)以及10年的電池壽命，能夠保持業(yè)界要求超過99.999%以上的網(wǎng)絡(luò)可靠性，以及強(qiáng)大的端對(duì)端安全性。