工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設備端

導讀：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設備端

構建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備端所面臨的核心問(wèn)題是如何解決數據的異構性。一般來(lái)說(shuō)，設備端的數據異構性問(wèn)題比服務(wù)端較為突出，且經(jīng)常不能單純依靠軟件技術(shù)來(lái)解決。

這里將傳感層和傳輸層合并在一個(gè)章節中講述，主要是這兩個(gè)層次之間的界限其實(shí)是具有一定的模糊性的。正如前面說(shuō)過(guò)的，越來(lái)越多的設備將傳輸層功能作為一個(gè)技術(shù)模塊內置在其中從而成為所謂的智能設備。

1 數據異構性

所謂“萬(wàn)事開(kāi)頭難”，數據的獲取是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統業(yè)務(wù)流程的根本驅動(dòng)力，在現實(shí)中也常常是實(shí)施代價(jià)最大的部分，常見(jiàn)的原因主要有：

1.1 電氣信號的異構性

對于需要向非智能設備、傳感器、執行器等采集數據的工業(yè)網(wǎng)關(guān)而言，第一個(gè)面臨的問(wèn)題就是與采集對象對接的電氣信號是不同的。這些“啞終端”的往往采用的是用于過(guò)程控制系統的近場(chǎng)通信技術(shù)，比如：各類(lèi)串口技術(shù)、工業(yè)總進(jìn)線(xiàn)技術(shù)，甚至更加原始的模擬量或數字量信號點(diǎn)。當然，也不排除有些帶有網(wǎng)絡(luò )功能的智能設備也通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)將數據合并上傳。所以，作為傳輸層的工業(yè)網(wǎng)關(guān)，首先就要面臨對各種電氣信號的對接能力。

1.2 通信協(xié)議的異構性

不同的電氣信號接口，其采用的數據通信協(xié)議一般是不同的。甚至同樣的電氣信號接口下，比如各類(lèi)串口，其表征數據的應用層協(xié)議也可能是不同的。作為工業(yè)網(wǎng)關(guān)為了減輕服務(wù)端處理數據的負擔，一般來(lái)說(shuō)都要在傳輸前完成從異構到系統內容易數據協(xié)議的轉換。

1.3 數據數量的異構性

設備端和服務(wù)端之間最常見(jiàn)的關(guān)于數據數量的失配就是原始數據的缺失。物聯(lián)網(wǎng)系統的業(yè)務(wù)往往需要更多角度的數據，但是傳統設備的數據信號的設置往往僅僅為了滿(mǎn)足過(guò)程控制的需要就可以了。比如一臺水泵的控制系統，僅僅為了滿(mǎn)足水泵的啟停和運行工況的變化，而可能不會(huì )關(guān)注其震動(dòng)、材料疲勞等問(wèn)題，因此也就不會(huì )部署相應的傳感器，也就沒(méi)有相應的數據。這個(gè)時(shí)候的解決方式有兩種：一種是加裝傳感器，另一種是根據現有的數據利用某個(gè)合理的公式來(lái)推測，也就是通過(guò)數據整合來(lái)在一定的精度下提供所需要的數據。

當然并不能否定數量失配是數據過(guò)多，即：物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端可能只需要設備的一個(gè)相對宏觀(guān)的狀態(tài)，比如是否正常運行還是處于某種故障中，但是現場(chǎng)并沒(méi)有某個(gè)設備可以直接給出表征這種狀態(tài)的數據，而是需要網(wǎng)關(guān)自己根據采集到的多個(gè)數據綜合判斷。

數量的異構性問(wèn)題，又可成為數據完整性問(wèn)題。

1.4 數據質(zhì)量的異構性

原始數據還可能有其他的質(zhì)量上的失配情況，比如時(shí)序數據的噪音、采樣頻率、單位等的不同。

噪音可能來(lái)源于最原始的數據源，也可能來(lái)源于傳感網(wǎng)絡(luò )中的傳輸過(guò)程，甚至在工業(yè)網(wǎng)關(guān)內部的電路或不恰當的數據處理引入。比如原始的數據A/D轉換過(guò)程的電氣噪音，時(shí)序數據在設備或網(wǎng)關(guān)中某個(gè)進(jìn)程間通信的管道的阻塞等等。

對于采樣頻率的不同，常見(jiàn)的情況是服務(wù)端需要的采樣頻率相對原始數據的頻率較低。一般采取再采樣的方式來(lái)處理。簡(jiǎn)單的處理方式可以是在網(wǎng)關(guān)中利用一個(gè)緩存來(lái)存放該數據，一個(gè)任務(wù)不斷以來(lái)自設備的頻率寫(xiě)入該數據的值，而另一個(gè)任務(wù)以需要發(fā)送的頻率來(lái)讀取該設備的值即可。如果對原始數據的確切采集時(shí)間有較為嚴格的要求，可以在讀取的任務(wù)中根據時(shí)間戳來(lái)進(jìn)行適當的插值計算。當然還有的做法是網(wǎng)關(guān)上不做任何關(guān)于采樣頻率的處理，而交由服務(wù)端來(lái)進(jìn)行，但是這種處理方式，會(huì )增加服務(wù)端和網(wǎng)絡(luò )層的壓力。

數據單位的不同，一般也稱(chēng)為倍率問(wèn)題。處理方式相對簡(jiǎn)單，也就是在工業(yè)網(wǎng)關(guān)中增加倍率的設置，并自動(dòng)將每個(gè)采集到的數據乘以該倍率后再發(fā)送。

而本章的以下章節，實(shí)際上就是在分別講述設備端對各種數據異構的標準化處理過(guò)程。

　消費者物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對比？

　　1. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備基于工業(yè)環(huán)境制造

　　雖然FitBit智能手環(huán)可能會(huì )遭遇淋雨，Amazon Dash智能按鈕也可能會(huì )與相關(guān)產(chǎn)品觸碰，但是用于工業(yè)部署的傳感器必須能夠在消費者難以企及的特殊環(huán)境中運行。

　　如極端的濕度和溫度，甚至是腐蝕性環(huán)境，如安裝在下水道等污水基礎設施中的設備。

　　此外，測量流體如水和油的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器通常需要浸沒(méi)在所測量液體中，這些設備需要滿(mǎn)足由IP68認證制定的嚴酷的行業(yè)防水標準。

　　設備也常常需要通過(guò)HazLoc認證，證明它們可以耐受爆炸和可燃環(huán)境。

　　SmartFoam放置管道內，該設備使用電磁傳感器，用來(lái)報告盜竊位置，也可用來(lái)監測管道本身問(wèn)題

　　2. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統必須具有可擴展性

　　對遍布數百公里的含有數百個(gè)中點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行水監測的系統，要比那些雄心勃勃的消費者家庭自動(dòng)化項目復雜得多。

　　由于IIoT系統會(huì )產(chǎn)生數十億個(gè)數據點(diǎn)，因此還必須考慮將信息從傳感器傳輸到最終目的地的方式 ——通常是工業(yè)控制系統，如SCADA(監控和數據采集) 平臺。

　　為了分散大量數據對集中處理系統所帶來(lái)的壓力，IIoT制造商目前熱衷于設計可以在設備端直接進(jìn)行初步分析的硬件，而不都是依賴(lài)云服務(wù)器上運行的程序進(jìn)行分析(一種稱(chēng)為邊緣計算的新興方法或霧計算)。

　　消費者物聯(lián)網(wǎng)應用涉及較少的設備和數據點(diǎn)，因此如何最大限度地減少中央服務(wù)器的吞吐量并不是什么大問(wèn)題。

　3. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備具有獨特的通信和電力要求

　　通常安裝IIoT傳感器用來(lái)測量那些難以到達的遠距離基礎設施參數，這些基礎設施可能位于地表以下(例如石油和天然氣設施)，較高的地形(例如水庫)，海上(例如油井上)，或者甚至在公路難以到達的遙遠沙漠中(如氣象站)。

　　設備安裝技術(shù)人員檢查這些設備非常困難且花費巨大。為了最大限度地減少實(shí)地檢查，IIoT設備需要盡可能設計更長(cháng)的電池壽命，這常常通過(guò)使用工業(yè)級電池來(lái)實(shí)現。

　　IIoT獨特的低功耗低帶寬需求促使LPWAN和NB-IoT等一系列新興網(wǎng)絡(luò )接入系列的發(fā)展，這是將這些設備連接到中央服務(wù)器的主要手段。

　　這些都是精確設計的物聯(lián)網(wǎng)設備需要牢記的，因為蜂窩網(wǎng)絡(luò )(提供高帶寬，因此過(guò)度消耗電池)和協(xié)議，如WiFi和藍牙(這是不可擴展的)不能完全解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的需求。

　　為了盡可能提供最大的通信線(xiàn)路冗余，這些網(wǎng)關(guān)必須能夠支持物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)屬以及傳統的連網(wǎng)技術(shù)，如WiFI和藍牙。 在同一個(gè)設備上同時(shí)具備這些功能對于硬件工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大挑戰。

　　由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備所控制的活動(dòng)非常關(guān)鍵，而且操作人員很難到現場(chǎng)查看，IIoT設備通常需要完全遠程控制，響應時(shí)間很短，并且內置看門(mén)狗計時(shí)器確保系統故障時(shí)能夠自動(dòng)重啟。

　　消費類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品則不一樣，通常應用于容易接觸的場(chǎng)所，因此可以使用固定電源或傳統的消費級電池。

　　4. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必須符合特定的網(wǎng)絡(luò )安全標準

　　網(wǎng)絡(luò )安全是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)所面臨的一個(gè)重要挑戰，根據Hewlett Packard研究，有70%的物聯(lián)網(wǎng)設備存在安全漏洞。

　　如攻擊者獲得了客戶(hù)財產(chǎn)相關(guān)的實(shí)時(shí)視頻資料，那么對智能家居進(jìn)行黑客攻擊可能會(huì )對個(gè)人隱私造成重大影響。不過(guò)，網(wǎng)絡(luò )入侵的影響是局部的。

　　如果同樣的事情發(fā)生在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，這些系統通常要將傳感器連接到關(guān)鍵的基礎設施資源，如發(fā)電廠(chǎng)和水資源管理設施，那么其潛在的影響要嚴重得多(Stuxnet蠕蟲(chóng)就是一個(gè)很典型的例子)。

　　因此，IIoT安裝必須滿(mǎn)足更嚴苛的網(wǎng)絡(luò )安全要求，才能獲得批準使用。

　　IIoT還涉及集成信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)系統(如PLC控制器)，這些系統在網(wǎng)絡(luò )安全方面的要求又有所不同。

　相比之下，消費者物聯(lián)網(wǎng)系統只需要與消費設備上相對簡(jiǎn)單的控制機制接口即可。

　　5. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案必須是精準的

　　與相當成熟的大眾市場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品(如智能洗衣機)不同，IIoT解決方案通常需要個(gè)性化設計，根據購買(mǎi)者的個(gè)性化使用要求進(jìn)行量身定制。

　　出于這個(gè)原因，IIoT技術(shù)通?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式提供，從而滿(mǎn)足其他軟件系統的定制和集成。這包括API或平臺即服務(wù)(PaaS)產(chǎn)品。

　　相比之下，消費者市場(chǎng)的應用較少進(jìn)行定制，功能要求也相對一致。

　　總結

　　盡管消費者和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)都是將物理設備連接到互聯(lián)網(wǎng)，但它們在幾個(gè)方面存在顯著(zhù)差異。

　　從發(fā)展和商業(yè)推廣的角度來(lái)看，它們似乎逐漸成為兩個(gè)平行的生態(tài)系統，雖然存在一些交叉，但也有各自的特點(diǎn)、參與者和創(chuàng )新。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)和消費者物聯(lián)網(wǎng)最顯著(zhù)的差別在于：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對設備性能要求更高，因其特殊用途導致所需網(wǎng)絡(luò )連接屬性和電源要求不同，以及其對網(wǎng)絡(luò )安全性要求更加苛刻，同時(shí)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更具有個(gè)性化設計需求。