“物联网发展的迅猛势头必将持续下去,人们越来越重视安全问题和高质量信息的传送,而不仅仅是简单的连接问题。物联网中的传感器领域必将掀起更加猛烈的智能化风潮……有一天,家居、企业和城市不仅相互连接,也将作为物联网智能架构的一部分存在。”这是ADI公司总裁兼CEO Vincent Roche在其发表的2017年展望中关于物联网的部分阐述。在近期的一场物联网巡展中,ADI展示了该公司面向智能楼宇、工业物联网、智能城市以及能量采集四大关键物联网应用的方案实例,再次以十三款物联网应用方案对这个前瞻观点做出了实物注解。

串起物联网应用的几大关键前端环节

“我这两年所参加的研讨会,大部分的人着重在云端、大数据、云图分析、人工智能,事实上除了这些之外,最重要的还是如何将所有传感器信息连接到云端。”ADI亚太区应用工程总监Charles Lee在巡展的主题演讲中指出。ADI认为物联网应用正在推动半导体产业的第三次浪潮,而ADI提供了从传感器到云端的完整信号链解决方案,无疑在这次产业浪潮中占据了行业领先优势。

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图1:Charles Lee在巡展现场的主题演讲吸引了工程师的热烈关注。

由于大部分传感器上的信息都是传统的模拟信号,工程师需要将模拟信号做一些调整。“例如常见的气体传感器一般会受到温度湿度的影响,当温度跟湿度改变时,即使相同的气体浓度,收集到的数据也是不一样的,所以进行传感器信号调理非常重要。”Charles说道。

另外,如果所有的传感器原始数据都由云端处理,数据量将非常庞大,对于传感器节点来说功耗也会是个很大的问题。“所以针对这个问题,我们的方案是先在本地做一些基本处理。例如振动分析,我们不太可能将所有振动原始资料全部送到云端,因为振动测量频率很高。我们会先在本地执行一些判断,判断之后才将有用的数据透过无线或有线的连接传送至云端。”Charles用一个例子表述道。

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图2:今天的物联网要求在传感器节点增加更多智能。

在线调整完之后再将数据转换成可被理解的数据,然后通过无线连接的方式传送到云端。大量的应用证明,在这些设备之间建立可靠的无线连接是物联网的最大挑战之一。ADI在服务客户中发现,大部分客户欠缺稳定可靠的无线连接,特别是较远的距离时无线通信可靠性就变得非常重要。另外,很多公司需要无线通信做一些不同程度协议的修改,但是现成的方案通常不容易做协议更改。据悉,ADI根据物联网应用常见的需求提供了无线RS485方案和高可靠性低功耗的无线传感器网络DUST Networks。“比如,在868MHz下无线RS485方案可以直接传输超过一公里而没有数据损耗,而且我们做的方案大部分通信协议都能修改。” Charles指出。

物联网应用非常明显的碎片化特点要求物联网方案具备超强的灵活性,不同行业对于传感器、无线接入方式以及接入以后各种协议能灵活设计。为此,ADI推出了“FastStart”的平台帮助不同的企业快速建立IoT网络原型。“其突出特点是应用丰富,平台采用ADI同类最佳器件以及无线连接、MEMS和PMU器件,解决了IoT多样化和碎片化带来的挑战。” Charles表示。他指出,FastStart平台的另一特点是全部解决了从底层到协议层的设计,帮助客户在较短时间内灵活组成一个小型IoT网络,然后再连接到外网或者云上,完成硬件、软件、协议等方面的初步验证后即可根据实际需求构建完整网络。

四大应用勾勒物联网典型模式

ADI巡展现场带来了基于其最新IoT平台的智能城市、智能楼宇、工业物联网和能源采集四大类13款实物DEMO展示。这些基于ADI IoT物联网平台的实物DEMO是完整的传感器到云端连接方案,支持与云端之间运行LWM2M协议栈、节点到网关之间支持WiSun/6LowPAN/MBUS等无线协议栈。ADI在其平台中集成了丰富的常用传感器接口和开源硬件接口,无线通讯模块支持多个频段、采用模块化设计、可同时连接诸多节点、用于实现快速搭建原型产品,打造了智能城市、智能建筑、智能农业、智能工厂等物联网相关应用的强大平台化开发工具。

物联网加速工业4.0时代到来

ADI曾经在其芯片制造工厂里针对8英寸的CMOS工艺做了一个预警测试,对该产线的机器状态进行监控进而用于制定关键决策,这种边缘传感器可能远离存储历史分析的云服务器,通过将边缘数据聚合到互联网的网关进行连接。这种典型工业物联网应用案例目前应用越来越多,在现场的演示和演讲中,Charles对工业物联网无线网络连接部分的分享更多。

Charles认为工业物联网可靠性是非常关键的设计要求,为确保工业物联网的可靠性和便利性,ADI与合作伙伴共同开发了无线RS-485方案,数据可以直接传输超过1公里而没有损耗(以868MHz测试)。ADI基于其DUST Networks技术还提供很多可靠的无线连接。ADI展示的DUST无线网络产品SmartMesh IP套件通过完整的软硬件组合快速组建,由于不同的频率、位置在不同时间干扰的程度都不同,SmartMesh通过TSCH技术可解决环境干扰问题并且耗电低,可靠度更是高达 99.999%。

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图3:DUST无线网络产品SmartMesh IP套件

城市智能管理的几个范例

利用布设在城市各个目标点的先进监测网络,监测信息随同位置信息一起通过无线转发到相关机构或单位,从而实现相关社会信息的更快速收集和应急响应,这是智能城市的典型管理模式。ADI结合了智能型摄影机以及各种传感器应用方案,针对智能城市提供了高级组件和系统级解决方案,它们均具有智能检测和高能效。在本次巡展中,ADI展出了PM2.5浓度监测系统、具有温度补偿的pH测量方案、SMOG环境气体含量监测以及IP Cam的物联网应用方案。

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图4:具备温度补偿的pH senor + IIoT RF模块解决方案。

空气与水质监测都是现代都市管理中非常重大的课题。ADI以IIoT RF模块为基础,结合O3、NO2、SO2、CO传感器、PM2.5传感器、温度跟湿度以及pH/ORP值传感器等,构建了户外气体以及水质分析和废弃水源的分析方案,利用ADI工业无线物联网整合方案,城市环境监测工程人员可以轻松通过后台管理随时进行把关。

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图5:ADI Samrt Camera(Camera+IIOT RF网关)方案示意图。

智能楼宇点亮我们的生活

将建筑物的结构、系统、服务和管理根据客户的需求进行最优化组合,从而为客户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境是智能楼宇的目标。针对智能楼宇应用,ADI结合其丰富的信号链产品技术开发了大量应用方案,此次巡展中展出了三个典型应用案例:室内有毒气体浓度检测的物联网应用;ADI针对WiSUN的物联网快速开发平台;Blackfin低功耗成像平台(BLIP)人数统计物联网应用。

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图6:室内有毒气体浓度检测物联网应用方案。

ADI Fast Start IoTWiSUN通过sub 1GHz频段将数据传送至网关,从而整合各式云端资源,可以帮助企业快速实现从概念至产品的物联网解决方案,特别是结合ADI多样化低功耗传感器模块在智能楼宇的物联网中获得应用机会。例如,在室内有毒气体检测物联网应用中,以高稳定度与高灵敏度电化学传感器为基础的有毒气体侦测器物联网解决方案体现了ADI在信号链上的优势,以及其IIoT无线通信模块在物联网应用中的优点,不但功能完整易于设计,且具有小型化与低耗电、不需布线、可远端监控的特点。BLIP基于ADI最新的产品以及专门优化的软件库,在业界已经有大量的成功应用,结合ADI IIoT模块和BF70x的该BLIP人数统计系统在智能楼宇的联网应用中获得拓展。

能量采集实现全自主联网方案

能量采集对于实现完全自主的物联网解决方案至关重要。在许多应用中,能量采集的一个主要障碍来自环境的能量水平非常低(例如微光室内太阳能采集),这就要求电源管理解决方案不仅能以非常少的能量运行,而且能有效管理储能装置,以便在采集不到能量时满足能量需求。ADI展出的基于LTC3108 TEG的能量采集方案以及基于电池充电器ADP5091和开关稳压器ADP5300的能量采集方案很好地满足了市场上的这些迫切需求,目前已经在物联网中获得许多应用。

该能源采集应用方案是将太阳能板/风力机/压电发电或者是温差发电等再生能源,通过ADP5091将收集到的能量储存至可重复充电的电池里;而TEG是一种外加热源产生电压的热能电能交换装置,LTC3108提共了简单有效的TEG电源采集方案,让一些无法使用电池或是电力线的低功耗应用可以实现。

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图7:基于ADP5091和ADP5300的能量采集方案;采用LTC3108的TEG能量采集方案。

《电子技术设计》2017年10月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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