由于開發(fā)人員需要等待新設備的硬件實現(xiàn)可用才能開始開始工作，因此嵌入式應用開發(fā)項目通常會出現(xiàn)延遲。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用開發(fā)面臨類似的瓶頸，需要等待傳感器數(shù)據(jù)才開始像工業(yè)預見性維護系統(tǒng)或設施自動化系統(tǒng)之類基于機器學習方法的應用的開發(fā)。本系列文章由兩部分組成，將探討哪些替代方法能提供所需的早期數(shù)據(jù)流，以加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)。第 1 部分介紹了如何使用模擬方法生成這些數(shù)據(jù)流。本文是第 2 部分，將會討論有哪些選擇方案可用來快速進行傳感器系統(tǒng)原型開發(fā)，以幫助生成數(shù)據(jù)。

大規(guī)模工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應用從根本上依賴于對目標環(huán)境中所部署傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流的分析和響應。如果在開發(fā)初期不能隨時獲得這些數(shù)據(jù)流，則工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用可能會落后于緊迫的工期或低于公司的預期。

盡管模擬方法可以滿足許多應用的數(shù)據(jù)要求，但有些應用可能需要與目標環(huán)境精確匹配的數(shù)據(jù)。對于這些應用，要想獲得有效的模擬結果，所需的投入可能不切實際。而使用現(xiàn)成的傳感器和網(wǎng)關裝置提供了一個可能更容易的快速數(shù)據(jù)交付途徑。這些裝置專為工業(yè)環(huán)境而設計，支持各種傳感器類型和連接選項，幾乎不需用戶花費什么精力。

本文是關于加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的兩部分系列文章中的第二部分，將會介紹多種預配置型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)關，用于生成加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)所需的數(shù)據(jù)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)模擬的局限性
傳感器數(shù)據(jù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的核心，但完整的應用部署同時依賴于能提供這些數(shù)據(jù)的傳感器系統(tǒng)，以及將這些數(shù)據(jù)轉換為有用信息的軟件系統(tǒng)是否現(xiàn)成可用。對于某些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，模擬可能無法提供足夠有用的數(shù)據(jù)。如果不仔細注意模擬的參數(shù)，則模擬的數(shù)據(jù)流可能會展現(xiàn)出將應用偏向特定工作曲線的屬性。

例如，若數(shù)據(jù)模擬配置為在 -40°C 至 +125°C 范圍內(nèi)提供均勻分布的隨機溫度，則可能會使應用偏向極端溫度，超出目標環(huán)境的實際溫度范圍。此外，這種簡單的模擬提供的溫度數(shù)據(jù)還可能容易從一個測量期到下一個測量期一下跳過幾十度。在典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中，此類不切實際的大幅溫度變化可能會對過程控制回路和其他應用結果造成混亂。

如果應用預期要嵌入機器學習推斷模型，則數(shù)據(jù)質(zhì)量及其對真實情況的體現(xiàn)程度尤其值得關注。數(shù)據(jù)科學家們都知道，采用糟糕數(shù)據(jù)進行訓練的推斷模型也會提供同樣糟糕的結果。因此，為了構造這些模型所需的有效數(shù)據(jù)模擬，投入水平可能會迅速攀升。

對于大多數(shù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目而言，將應用開發(fā)推遲到傳感器系統(tǒng)部署完成后，這根本不現(xiàn)實。事實上，當需要執(zhí)行軟件應用來提供所需的信息，甚至來驗證能否全面部署時，等待傳感器部署甚至都不可行。例如，數(shù)據(jù)科學家可能需要復雜算法的結果來確定是否需要更高分辨率、更快更新速率，甚至不同類型的傳感器數(shù)據(jù)，來解決結果中的不明確性，或在其他方面優(yōu)化應用。

由于所有這些原因，組織可能不情愿地決定延遲工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)，因為相比使用對目標工業(yè)過程和環(huán)境表現(xiàn)不佳的模擬數(shù)據(jù)來開發(fā)應用，這是更好的選擇。幸運的是，隨著預置工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)和相關網(wǎng)關設備的不斷增多，組織至少能夠快速部署應用開發(fā)所需的一組最關鍵的傳感器。

快速部署傳感器網(wǎng)絡
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器將傳感器、處理器和連接接口組合在一個封裝中，以承受典型的工業(yè)環(huán)境壓力。除了用于溫度、振動、壓力和濕度的單個傳感器，開發(fā)人員還可以找到可用的多傳感器裝置，這些裝置封裝了特定應用功能（如預見性維護）所需的傳感器組合。

預見性維護方法會監(jiān)測起著設備潛在故障指示作用的特性。例如，在電機中，振動頻率和溫度的特定變化能可靠地指出電機中非常具體的故障類型。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器設計用于捕獲這些數(shù)據(jù)，例如 National Control Devices (NCD) 的 PR55-20A 預見性維護傳感器，它將所需的傳感器與低功耗微控制器和 DigiMesh 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡連接組合在一起。

為了加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)，開發(fā)人員可以輕松地將專用傳感器（例如 NCD 預見性維護傳感器）與其他傳感器（例如 NCD PR49-24G 無線環(huán)境傳感器）組合使用。NCD PR49-24G 采用由兩節(jié) AA 電池供電的工業(yè)封裝，并集成了溫度、濕度和氣體傳感器。

除了各種特定的傳感器類型，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器制造商還提供了預置的通信網(wǎng)關裝置，旨在簡化傳感器到本地連接網(wǎng)絡的集成。實際上，開發(fā)人員可以找到一些可用的網(wǎng)關裝置，需要預先配置成連接特定的商業(yè)云或支持常用于連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺的通信協(xié)議。

針對其 DigiMesh 無線傳感器，NCD PR55-21 網(wǎng)關系列使用 Wi-Fi 連接來連接到特定的云服務，包括 Microsoft Azure IoT (PR55-21_AZURE)、Amazon Web Services IoT (PR55-21_AWS) 或 Losant IoT 平臺 (PR55-21_LOSANT)。此外，PR55-21_MQTT 網(wǎng)關還支持與使用 ISO 標準 MQ 遙測傳輸 (MQTT) 協(xié)議的任何主機進行通信。與 PR55-21 系列的其他成員一樣，PR55-21_MQTT 網(wǎng)關將低功耗工業(yè)微控制器與子系統(tǒng)相結合，以實現(xiàn)本地 DigiMesh 無線連接以及與本地或遠程 MQTT 服務器的加密 Wi-Fi 回程連接。

開發(fā)人員可以使用通過網(wǎng)關的嵌入式 Web 服務器提供的菜單式工具，快速配置 DigiMesh 本地網(wǎng)絡和 MQTT Wi-Fi 連接。

DigiMesh 網(wǎng)狀網(wǎng)絡提供了一種有效的方法，用于擴展電池供電型傳感器系統(tǒng)中所需的低功率收發(fā)器的有效范圍。當然，這只是工業(yè)環(huán)境中可能遇到的多種連接選項之一，制造商針對其中許多連接提供了類似的傳感器和網(wǎng)關組合。例如，Laird 的 Sentrius RS1xx 系列包括專用于支持藍牙和 LoRaWAN 連接的工業(yè)傳感器。該公司的 Sentrius RG1xx 系列包括互補性網(wǎng)關，用于支持 LoRaWAN 部署的區(qū)域頻率要求。此外，這些網(wǎng)關還支持本地藍牙連接和 Wi-Fi 回程 Internet 連接。

在某些應用中，強電磁干擾 (EMI) 源會降低無線通信中的信號完整性。對于這些情況，若能夠將傳感器與通信功能分開，這可是重要的優(yōu)勢。除了自家公司的無線工業(yè)傳感器，Banner Engineering 還提供了能通過 RS-485 或單線串行接口連接至單獨無線節(jié)點的傳感器。因此，操作人員可以將無線通信節(jié)點與連接至強 EMI 源（例如高速電機）的傳感器相距一定距離放置。

為支持這種配置，Banner Engineering 的 DX80N9Q45VTP 無線節(jié)點設計成與該公司的 QM30VT1 單線振動和溫度傳感器連接，而 DX80N9Q45TH 無線節(jié)點則與 M12FTH4Q 單線溫度和濕度傳感器連接。為了滿足更廣泛的傳感器接口要求，該公司的 DX80N9Q45U 可用作通用的單線無線節(jié)點，同時該公司的 DX80G9M6S 系列無線節(jié)點支持 RS-485 傳感器連接到多跳網(wǎng)絡。

本地處理
即使能快速部署工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡，開發(fā)人員也可能需要預期進行一定程度的本地處理，以減少數(shù)據(jù)量或減輕下游資源的處理負載。實際上，先進的工業(yè)傳感器（例如 Banner Engineering 的 QM30VT2 振動和溫度傳感器）能夠讓用戶將測得的振動頻率分成多達 20 個頻段。此功能在預見性維護應用中尤為重要，在這些應用中，通過確定不同頻段內(nèi)的變化可確定特定類型的故障。

除了由傳感器進行預處理外，在早期部署傳感器網(wǎng)絡時，也可能會產(chǎn)生一系列本地處理要求。Banner Engineer 的 DXM700 控制器和網(wǎng)關提供了此功能。DXM700 的尺寸僅為 70 x 86 x 55 毫米 (mm)，可提供多個本地無線和有線連接以及到主機服務器的以太網(wǎng)回程連接。

當從本地傳感器網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)時，該控制器可以執(zhí)行用 ScriptBasic 編寫的程序，來檢查輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)激活輸出，或執(zhí)行簡單的數(shù)據(jù)轉換。Banner Engineering 說明文檔中包括了一些 ScriptBasic 示例，用于說明像響應傳感器數(shù)據(jù)變化這樣的典型操作 。

副本

...'Function to read the T/H sensor FUNCTION GetTempHumidityData LastValueTempC = TempC LastValueHumidity = Humidity Humidity =GETREG(SensorHumidity_reg, TH_SID, MBtype) TempC = GETREG(SensorTempC_reg, TH_SID, MBtype) IF Humidity > 65535 or TempC > 65535 THEN PRINT "Read Error - humidity / temp reading...", Humidity," ",TempC,"/n/r" END IF WrErr = SETREG (Humidity_reg, Humidity, LocalRegSID, MBtype) WrErr = SETREG (TempC_reg, TempC, LocalRegSID , MBtype) FUNCTION StateMachine 'State machine definitions for the periodic reading of temp/humidity ' TH_State = 0 current state of the state machine ' TH_Idle= 0 initial state ' TH_Wait= 1 wait time between samples ' TH_Sample= 2 get samples from remote sensor ' TH_Error= 3 error state - unknown condition LOCAL StartState StartState = TH_State WrErr = SETREG (SM_reg, TH_State, LocalRegSID, MBtype) IF TH_State = TH_Idle THEN StartTime = NOW TH_State = TH_Wait ELSEIF TH_State = TH_Wait THEN IF NOW >= (StartTime + WaitTime) THEN TH_State = TH_Sample ELSE TH_State = TH_Wait END IF ELSEIF TH_State = TH_Sample THEN GetTempHumidityData TH_State = TH_Idle ELSE TH_State = TH_Error END IF IF StartState <> TH_State THEN PRINT "/r/n Time ",NOW," SM Started-> ",THState[StartState]," End->",THState[TH_State]," /r/n" END IF END FUNCTION FUNCTION LED_driver IF LastValueTempC < TempC THEN ? ?WrErr = SETREG (TempGoingUp_LED2_reg,1,DisplaySID, MBtype) ? ?ELSE ? ? ? WrErr = SETREG (TempGoingUp_LED2_reg,0,DisplaySID, MBtype) ? ?END IF ? ? ? IF LastValueTempC > TempC THEN WrErr = SETREG (TempGoingDown_LED3_reg,1,DisplaySID, MBtype) ELSE WrErr = SETREG (TempGoingDown_LED3_reg,0,DisplaySID, MBtype) END IF IF (Humidity > 65535 ) OR (TempC > 65535) THEN WrErr = SETREG (CommsError_LED4_reg,1,DisplaySID, MBtype) ELSE WrErr = SETREG (CommsError_LED4_reg,0,DisplaySID, MBtype) END IF IF GETREG(ScriptRunnning_LED1_reg, DisplaySID, MBtype) THEN WrErr = SETREG (ScriptRunnning_LED1_reg,0,DisplaySID, MBtype) ELSE WrErr = SETREG (ScriptRunnning_LED1_reg,1,DisplaySID, MBtype) END IF END FUNCTION ‘Main program loop BEGIN: PRINT "Script Starting/r/n" ITERATE: 'PRINT "/r/n Time = ",NOW," /r/n" StateMachine LED_driver Sleep(1) GOTO ITERATE END

清單 1：此 ScriptBasic 代碼段來自 Banner Engineering，展示了開發(fā)人員如何對 Banner Engineering 的 DXM700 進行編程，以在本地對傳感器數(shù)據(jù)作出響應。在此例中，通過打開和關閉 LED 來響應溫度和濕度傳感器數(shù)據(jù)的變化。（代碼來源：Banner Engineering）

Multi-Tech Systems 的 MTCAP-Lxxx 系列等網(wǎng)關為本地處理提供了更大的靈活性。此系列專用于滿足各種連接要求，可支持傳感器側的本地 LoRaWAN 連接，以及回程信道的以太網(wǎng)和可選寬帶 LTE 連接。針對其工作環(huán)境，此網(wǎng)關系列基于開源的 Multi-Tech Linux (mLinux) 操作系統(tǒng)。因此，開發(fā)人員可以使用熟悉的開發(fā)環(huán)境來創(chuàng)建本地處理軟件例程。此外，這些網(wǎng)關還支持 Node-RED，這是一種需要很少代碼的開發(fā)選項，對于事件驅動型應用（例如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）非常有用。關于 Node-RED 的更多信息請參閱后文。

低代碼快速原型開發(fā)
通過快速部署物理傳感器網(wǎng)絡，在全面設計、開發(fā)和調(diào)試傳感器網(wǎng)絡之前就能提供早期的關鍵數(shù)據(jù)來源，從而幫助加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)。如果快速部署帶來了大量附帶的軟件開發(fā)要求，則可能會妨礙進行部署。在很多情況下，前述預配置型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器和網(wǎng)關都可以避免這種情況，但若超出即用型傳感器和網(wǎng)關功能的獨特數(shù)據(jù)要求，則可能會帶來相關的軟件要求。

為了滿足獨特的數(shù)據(jù)要求，快速原型設計平臺（例如 Arduino 和 Raspberry Pi）提供了各種各樣的專用傳感器和執(zhí)行器作為擴展板。通過混合搭配這些擴展板，開發(fā)人員可以快速構建幾乎滿足任何傳感器數(shù)據(jù)要求的原型設計。

對于物聯(lián)網(wǎng)應用來說，制造商通過發(fā)布多傳感器板來簡化應用的原型設計，這些多傳感器板設計具有應用通常需要的最小尺寸和功能。諸如 ON Semiconductor 的 RSL10-SENSE-GEVK 評估套件或 STMicroelectronics 的 STEVAL-STLKT01V1 SensorTile 開發(fā)套件之類開發(fā)板，則將高性能處理器與可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)設備通常需要的各種各樣傳感器集成在一起。例如，SensorTile 就組合了 STMicroelectronics 的 STM32L4 處理器、STMicroelectronics 的 BLUENRG-MS 收發(fā)器和一個傳感器陣列，而傳感器陣列則包括了該公司的 LPS22HBTR 微機電系統(tǒng) (MEMS) 壓力傳感器、帶加速計和陀螺儀的 LSM6DSMTR MEMS 慣性測量裝置 (IMU) 以及帶線性加速和磁傳感器的 LSM303AGRTR MEMS 電子羅盤。

作為流行的低代碼開發(fā)環(huán)境，Node-RED 允許開發(fā)人員通過繪制連接功能元件（節(jié)點）的圖形（流程），來對這些板卡和其他硬件系統(tǒng)（例如 NCD 設備和 Multi-Tech 網(wǎng)關）進行編程。這些流程與節(jié)點之間的交互相對應，而這些節(jié)點又對應于一些特定的功能，包括讀取傳感器數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)執(zhí)行操作、將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌δ茉ㄈ缭凭W(wǎng)關）以及顯示數(shù)據(jù)。

在開源的 Node-RED 流程存儲庫中有超過 225,000 個模塊可用，該環(huán)境提供了一個可用于開發(fā)事件驅動型應用的豐富生態(tài)系統(tǒng)，例如采集傳感器數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆?。盡管 Node-RED 提供了在生產(chǎn)應用中集成結果流程的方法，但它對 Node.js 的依賴可能不適用于某些應用或生產(chǎn)環(huán)境。

Digi-Key 的 DK IoT Studio 提供了另一個低代碼開發(fā)環(huán)境，大幅消除了對手動軟件開發(fā)的需求，同時仍提供 C 語言源代碼。通過使用 DK IoT Studio，開發(fā)人員可以在 DK IoT Studio 畫布上拖放與 SensorTile 的每個功能關聯(lián)的組件，從而創(chuàng)建所需的功能。

除了支持特定的硬件組件外，該環(huán)境還提供了類似的可拖放功能組件，這些組件代表了云數(shù)據(jù)傳輸或云資源操作。在繪制描述數(shù)據(jù)流和操作的圖表后，開發(fā)人員可以下載生成的代碼，以上傳到 SensorTile。在構建典型原型時，此過程幾乎或完全不需要額外的代碼開發(fā)。有關這一快速原型開發(fā)流程的更多信息，請閱讀“快速部署電池供電型藍牙 5 認證多傳感器物聯(lián)網(wǎng)設備”。

總結
大規(guī)模工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)主要依賴能否獲得如實呈現(xiàn)目標環(huán)境的數(shù)據(jù)。正如本系列文章的第 1 部分所述，盡管模擬方法可以滿足許多應用的數(shù)據(jù)要求，但有些應用可能需要與目標環(huán)境精確匹配的數(shù)據(jù)。對于這些應用，要想獲得有效的模擬結果，所需的投入可能不切實際。而使用現(xiàn)成的傳感器和網(wǎng)關裝置，則提供了一種更加簡單的快速數(shù)據(jù)交付解決方案。

如第 2 部分（本文）所述，這些裝置支持各種傳感器類型和連接選項，幾乎不需要用戶花費什么精力。使用這些產(chǎn)品，開發(fā)人員可以快速部署傳感器網(wǎng)絡，從而能夠交付加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)所需的數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇