向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

实现工业IoT设备的架构考虑因素

时间:2018-09-12 作者:Arvind Raghuraman,Mentor, a Siemens business嵌入式平台解 阅读:
工业物联网(IIoT)是一项革新技术。即使在最有利的情况下,实施、部署和维护此类基础架构也是一件棘手的事情。成功实施不仅要求设备的连接性和安全性,还需要扩展所有连接设备的广度和深度,为用户创造更多价值,增加盈利并促进增长。为实现这一目标,必须做好充分的准备并全面了解当今IIoT技术的优点。

工业物联网(IIoT)是一项革新技术。即使在最有利的情况下,实施、部署和维护此类基础架构也是一件棘手的事情。成功实施不仅要求设备的连接性和安全性,还需要扩展所有连接设备的广度和深度,为用户创造更多价值,增加盈利并促进增长。PN0ednc

为实现这一目标,必须做好充分的准备并全面了解当今IIoT技术的优点。PN0ednc

可用的使能技术包括一些综合性云平台及其相关的设备使能软件开发工具包(SDK),以及一系列商业和开源运行时组件及云后端应用程序。PN0ednc

本文介绍了成功运行IIoT设备需要考虑的一些关键架构考虑因素,重点关注在设备上运行的软件。PN0ednc

工业IoT的启用

工业IoT实施的主要目标是:(1)将终端节点和边缘/网关类型的嵌入式设备安全地连接到云后端;(2)从这些设备收集数据,并以有意义的方式可视化/分析或呈现这些数据;(3)提供使用基于云的基础架构进行设备交互、配置,维护和升级的方法。PN0ednc

为更好地了解智能设备如何与云(更具体地说是云后端服务)交互,下面我们来看一下典型智能设备可能采取的一些基本步骤。PN0ednc

第一步——安全导入PN0ednc

从设备的安全启动开始。在这个初始阶段,引导过程必须按顺序验证引导程序、操作系统软件和其他软件组件,这些组件均可作为引导顺序的一部分予以执行。安全启动后,设备需要安全地自行导入后端。云平台可提供全面的基础架构,能够对尝试登录系统的设备进行身份管理和验证。PN0ednc

第二步——配置、监测和控制PN0ednc

导入设备后,下一步是产生设备运行时的实例,并将设备支持的参数和服务提供给后端。这是通过与云后端基础架构兼容的“数据模型”或标准化“对象模型”来实现的。PN0ednc

第三步——安全遥测PN0ednc

在设备与后端之间建立数据或对象模型之后,设备将数据推送到云并接收来自云的异步消息。保护运动中的数据是IIoT的基础技术要求。传输层安全(TLS)和安全套接层(SSL)通常用于建立设备与后端之间的安全连接和交换数据加密。PN0ednc

第四步——软件更新和维护PN0ednc

这是一个关键属性,关系到是否能从云连接设备实现可靠的操作。管理设备固件、应用程序和数据的全面的基础架构对修复错误、升级功能和修补安全问题来说至关重要。PN0ednc

工业IoT的嵌入式设备

IIoT设备可以分为终端节点和边缘节点,前者位于IIoT生态系统的较低层,后者通常用作终端节点和云后端之间的网关。终端节点通常是执行器、传感器、控制器、人机界面(HMI)等。在某些情况下,终端节点无需通过边缘节点/网关就能直接连接到云。PN0ednc

虽然终端节点和网关都是嵌入式设备,但它们在外形和功能上存在极大的差异。终端节点设备可以非常小。它们通常是8位或16位智能传感器,利用简化的无线协议和极端电源管理策略来获取本地能源,从而实现免维护运行。另一方面,边缘节点可以是功能强大的多处理器或多核设备,具有类似企业/服务器的计算能力。从软件的角度来看,终端节点设备可以在裸机(无操作系统)上运行,而更大型的设备则通常需要部署实时操作系统(RTOS),甚至是通用操作系统(GPOS),如Linux。PN0ednc

图1显示了针对边缘节点或云连接终端节点的运行时软件的组件架构示例。该图描绘了一个典型的架构,包括云供应商为设备提供的SDK以及其他OS/系统服务,以满足所连接设备的设备管理需求。PN0ednc

20180831-iiot-1.jpgPN0ednc
图1:设备软件IIoT架构包括用于后端服务的云SDK以及在OS运行时环境中可用的OS/系统服务。(信息来源:Mentor)PN0ednc

云平台和SDK提供的设备管理功能

云供应商提供了各种基础架构和工具,用于创建和管理所连接的IIoT设备。云供应商提供的其中给一个主要功能是安全导入设备的方法以及监控、管理和更新该设备所需的通信基础架构。不过,不同供应商提供的具体功能也会有所不同。PN0ednc

成熟的云供应商可能提供的核心功能包括:PN0ednc

设备身份管理和配置

云平台通常为用户提供添加、删除和管理设备及相关安全属性所需的基础架构。用户添加新设备时,托管在云的设备注册表将为设备创建身份并生成相关的安全凭证。需要为设备配置这些凭证,使其能够安全地登录云平台。在典型的环境中,基于公钥的相互验证可用于建立可靠的设备验证基础架构。PN0ednc

通信

云供应商提供的设备SDK包括受供应商云平台支持的一套通信协议。在这个协议集层上是一个特定于云供应商的层,它能支持更高阶的结构体,可能包括特定于平台的绑定协议来实例化设备数据模型,以及用于定义和协调设备双胞胎的API等。PN0ednc

数据模型

设备启动时,必须协调设备与云后端之间的数据模型。方法有几种:PN0ednc

Microsoft Azure和Amazon Web Services (AWS)等云平台可支持自定义数据模型方法,而通过使用设备SDK提供的特定于平台的绑定协议,设备可定义数据模型并将其提供给后端。PN0ednc

另一种方法是基于标准的对象模型。这里以轻量级机器对机器(LwM2M)协议为例,其利用了OMA标准和IPSO联盟的工作成果。(IPSO联盟是一个行业联盟,通过发布大量绑定协议将传感器和执行器、设备固件等智能对象连接到工业机械来支持LwM2M。)由于对象拥有标准化的绑定协议,因此可以连接到任何符合相同对象模型的云基础架构。PN0ednc

IIoT设备管理所需的其他设备软件功能:OS/系统服务PN0ednc

OS/系统服务在云供应商SDK提供的设备导入和通信基础上展开。这些服务提供了工业IoT设备所需的功能,可实现对IIoT设备的综合性设备管理。这些功能包括生命周期管理、系统/设备运行状况监控、设备软件更新、设备应用程序更新等。PN0ednc

OS/系统服务启用的一些关键功能包括:PN0ednc

·  软件更新服务PN0ednc

更新设备操作系统(OS)软件和应用程序软件的功能是IIoT智能设备使能的基本要素。在向设备提供OS和应用程序更新时,安全性是一项重要原则。大多数用例要求在设备采用更新工件之前确认隐私、完整性和真实性属性。设备软件架构应考虑所需的基础架构,以评估固件运行状况并支持针对已知工作固件版本的失效安全回溯功能。设备的应用程序更新可作为加密/签名二进制包提供。对于基于Linux或Windows的设备,基于容器的应用程序管理变得非常流行。基于容器的应用程序管理方法有很多优点,包括可移植性、易迁移性、可扩展性、标准化、持续集成(CI)和交付(CD),并且提供了强大的运行时组件和工具开源生态系统,用于管理和编制基于容器的应用程序。PN0ednc

·  系统诊断、运行状况监控和数据分析服务PN0ednc

必须监控部署在制造环境中的IIoT设备的系统运行状况和性能。实施事后调试方案时,分析设备上的应用程序的功能有助于深入了解设备软件运行时,并协助对已部署的设备进行故障排除。PN0ednc

·  安全系统服务PN0ednc

在IIoT环境中,信息技术(IT)与运营技术(OT)网络的收敛使安全性变得至关重要。设备运行时应提供IT和OT网络接口硬隔离所需的安全基础架构,使外部的互联网攻击者无法入侵工厂内部网络。应部署合适的防火墙和边缘网络配置工具来实现这种隔离。PN0ednc

Cloud SDK与OS/系统服务的集成

为发挥工业IoT的全部潜力,设备必须能够提供上述的一整套运行时功能。图2所示示例即为能够满足这些需求和要求的商业软件框架。该IIoT框架集成了供应商提供的云SDK的功能与实现综合性设备管理所需的OS/系统服务。PN0ednc

20180831-iiot-2.jpgPN0ednc
PN0ednc
图2:Mentor Embedded IoT Framework (MEIF)架构集成了云供应商SDK的功能与OS/系统服务,可提供全面的端到端IIoT解决方案。(信息来源:Mentor)PN0ednc

Mentor Embedded IoT Framework (MEIF)是Mentor, a Siemens business推出的一款新产品。MEIF支持多种云平台,包括Amazon Web Services (AWS)、Microsoft Azure和Siemens MindSphere等。MEIF架构还支持在云端的基于Eclipse IoT的后端应用程序。需要注意的是,Mentor解决方案并不能取代云供应商提供的技术和投资;相反,它旨在填补云供应商SDK提供的功能与在IIoT环境中实现综合性设备管理所需的设备功能之间的差距。PN0ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 用于电机控制的优化∑-∆调制电流测量 在高性能电机和伺服驱动器中,基于隔离式sigma-delta(Σ-Δ)的模数转换器(ADC)已成为首选的相电流测量方法。这些转换器以其强大的电流隔离和卓越的测量性能而闻名。随着新一代ADC的推出,其性能也在不断提高,但是,要充分利用最新的ADC的功能,就需要对其他的电机驱动器进行相应的设计。
  • 人工智能时代不断变化的工业格局 尽管AI技术并不是什么新鲜事物,但数据的爆炸式增长促使AI以惊人的速度发展,例如在百度和谷歌等数十亿次的搜索提供了相当大的实时数据集,支持了AI的蓬勃发展。
  • 为何RFID加EEPROM等于更简单的物联网 物联网(IoT)没有表现出短暂流行的迹象,预计十年内将会有规律地出现越来越多相互联接的事物。这不足为奇,因为我们不断想象寻找利用技术去做事的新方法,并开发新旧技术的全新应用。而每个新应用都会向网络添加许多端点,使IoT日益变大。
  • 回顾嵌入式系统20年开发之路 从1999年到2019年,嵌入式系统的开发工具——硬件、软件和方法日益精进。为了衡量20年来的变化,《Embedded.com》分别在1999年、2009年和2019年进行调查,提供了20年来嵌入式开发演变的缩影…
  • 盘点十四个 CES 2020上有趣的新鲜科技玩意儿 CES 2020于美国拉斯韦加斯盛大举行,来自全球的新创公司和业界巨擘齐集‘CES Unveiled’技术盛会,抢先亮相其创新的想法、吸睛的产品以及最新技术解决方案...
  • NOR Flash研发有晶圆厂配合是客户看重的优势 因为我们是国产品牌里面唯一一家有晶圆厂的自主品牌,所以我们在整个货源和客户的产品竞争力上有相当强的优势。国内这一块目前的IDM很多,但是他们主要都是一些设计公司,所以我们的优势就在于我们有我们自己的晶圆厂。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告