从M2M迁移到IIoT工业物联网

朗锐智科

随着工业自动化需求的增加，工业协议和M2M机器通信逐渐迁移到IIoT工业物联网。

如果在没有引用物联网的情况下，现在很多的连接设备都无法想象。但是，在构思物联网之前的很久，工业环境中的设备已经在进行通信了。

随着发展，它迎来了机器到机器(M2M)的时代。这些早期简单的点对点交换迅速发展，使用通用网络将车间和后台更紧密地联系在一起。这被称为工业4.0，现在，随着这些工厂随时随地都可以访问，“工业物联网（IIoT）”这个术语已经占据了主导地位。

这种自然演变不仅反映了数据的收集和传输是如何呈指数级增长的，而且还反映了IIoT如何允许控制遵循相同的路径。构建IIoT在很大程度上依赖于通信。许多基本要求已经到位，而其他要求才刚刚开始出现。从工程角度来看，将所有这些互连性整合到一个强大且经济实惠的外形中，对于开发人员来说是一个极大的挑战。

广泛的要求

作为一项跨行业的倡议，物联网总体上正在从几个角度加以解决，但似乎很清楚它的实施需要层次结构。互联网为海量数据传输提供了理想的支柱，但它并不适用于实时控制; 启用Internet的协议内置了太多的延迟。

简单来说，在连接的家庭中，所有设备可以使用本地网络连接和控制，并且可以通过因特网访问。在本地控制设备时使用互联网是可能但不切实际的; 例如，可能需要几秒钟才能关闭灯光，或者电视需要更换频道。因此，“设备头像”的概念正在获得动力，其中每个设备在云中也具有虚拟版本。在本地，设备直接通过局域网控制。远程控制将通过互联网传递，在那里它是指示要改变的化身。然后，这些变化将转发给他们的真实世界同行。

在工业环境中，由于需要“硬实时”控制，在设备之间发送/接收小数据包，因此更加复杂。这里的基本要求是分组在确定的时间内可靠地到达。早期的工业协议随着时间的推移不断发展，例如HART协议（高速可寻址远程传感器）。

该协议具有使用传统4-20mA点对点连接的区别，现在它通过一对电线支持模拟和数字信令。物理接口使用频移键控（FSK），将逻辑“1”（标记）表示为中心频率为1.2kHz的正弦波，将逻辑“0”（空格）表示为中心频率为2.2的正弦波千赫。这些数字表示可以在4至20mA范围内的模拟电流水平之上进行调制，使其成为工业应用的通用协议。

此外，该协议可以使用微控制器（MCU）实现，其中合适的HART调制解调器提供物理接口。如果MCU具有能够运行生成和识别FSK频率所需的算法的ALU，则甚至可以使用当前的DAC / ADC转换器来实现这一点。

虽然HART协议也可以用于多点配置，但它可能仍然不适用于每个工业应用，并且几乎肯定不会用于连接到Internet。这种适当协议的“混合搭配”在工业控制中是流行的，几乎没有证据表明它很快就会发生变化。

适合工作的正确工具

专门用于因特网通信的协议的使用在工业环境中具有许多限制。除了延迟之外，可能还需要在工业环境中对事件加时间戳，这是TCP / IP等常用网络协议不支持的功能。

以太网是互联网的“公众面孔”，因为它是大多数人与之接口的方式。虽然以太网上使用的互联网协议确实不适合实时控制，但实际上，当使用正确的协议时，以太网也可以提供强大而可靠的工业网络基础设施。

有许多针对工业部门的协议使用以太网作为接口。最值得注意的可能是EtherCAT。这只是基于以太网的协议之一，现在构成了IEC 61158规范定义的现场总线系列的一部分。由于它使用与以太网相同的物理接口，因此EtherCAT协议可以使用具有以太网MAC的微控制器实现。

在工业拓扑中，实际执行动作的设备（电动机，加热器，泵，致动器等）传统上由PLC（可编程逻辑控制器）直接控制。IIoT的当前趋势是使用低延迟的实时协议（例如现场总线系列中的协议）来网络PLC。尽管名称和多年的努力，仍然没有共同的现场总线标准，并且引用它的许多协议不一定是可互操作的。因此，PLC需要支持多种协议，以便在更加网络化的工业环境中运行。

也许最广泛部署的现场总线技术是PROFIBUS，但还有许多其他技术，包括PROFINET，CAN和Modbus。现在许多微控制器都集成了CAN接口，而添加Modbus可以通过UART实现，并在MCU上运行的应用程序中实现协议。

软件支持

虽然在IIoT中部署用于控制的许多协议在低成本MCU中实施起来相对简单，但期望进行高水平整合似乎是合理的。更强大的MCU将用于处理网络拓扑中的更广泛的协议。

此时，操作系统的使用（以及工业控制，实时操作系统或RTOS）可能是有益的。在MCU上运行RTOS对硬件提出了某些要求，现在反映在向32位架构（如ARM Cortex-M系列）的转变中。

MCU和处理器提供商现在与RTOS供应商密切合作以确保通信堆栈和实时内核在其硬件上高效运行并不罕见。Analog Devices的Blackfin 16/32位嵌入式处理器得到Micrium的μC/ OS实时操作系统的密切支持，该系统具有TCP / IP，USB，CAN总线和Modbus等中间件。

对高度集成的嵌入式处理器上运行的这些工业协议的需求反映在这样一个事实上：更多的RTOS供应商现在提供用于工业控制的协议栈作为集成到其技术中的中间件。

结论

创建提供远程控制并维持实时控制的工业网络将需要混合的通信协议。目前半导体供应商了解这一点，并且已经提供了一系列能够提供使IIoT成为现实所需的硬件接口和处理能力的设备。同样清楚的是，目前工业领域中使用的协议仍将在IIoT中占有一席之地。

kshuang

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