傳感器和物聯網的介紹和“極端物聯網”的詳細資料概述

在最高層次上，物聯網通常與日益增加的互連傳感器相提并論。

但隨著物聯網的不斷發展，我們對它的面貌和功能的理解也在加深。

傳感器數量在增加，它們收集的信息量也隨之增加。而且，所有這些數據都計劃傳到云端，讓物聯網淹沒在信息當中，過重的負擔使其難以將信息轉化為洞察。

有其他方面的考慮，例如：傳輸所有這些數據需要多少功耗？如果把垃圾放入云中，如何期望從中獲得洞察？如果因為超范圍測量或算法而需要立即采取措施，結果會怎樣？如果只須將數據保存在本地呢？如果網絡發生故障，該怎么辦？

IoT 遠不止是互連傳感器

這種不斷增長的復雜性正在改變許多物聯網圈子的思維。主要分析機構（如McKinney等）認為，實際使用的云數據只有1%。即便是像微軟這樣的大規模云合作伙伴，也在將其關注重點從中心的云轉向邊緣的傳感器。邊緣常?？赡芴幱跇O端環境。

想想沙漠中心的傳感器，位于北極深處的傳感器，或者充滿無線電干擾的工廠中的移動機器人上的傳感器。在此類極端環境中生存和運行是極具挑戰性的。但如果收集的數據是一個復雜的波形，或者數據量非常龐大，以至于需要大量的電力才能將其定期發送到云端呢？

極端物聯網應用通常要求采用系統化方法來設計端到端應用。在最惡劣的條件下進行精密檢測和測量，節點處的低功耗信號處理，以及可靠的連接，是最大限度發揮極端物聯網作用的三大關鍵要素。

極端物聯網的表現之一是：事情根本不會保持不變！

運動物聯網

高性能工業傳感器正在將傳統的機械式固定功能靜止設備變成日益智能化的自主移動設備。傳感器節點的精確運動跟蹤和位置判定成為應用成功的關鍵。來自節點的位置信息將支持智能農場等應用利用自主式陸地車輛和飛行器降低成本并提高產量。在醫院手術室，它將有助于精確制導機器人手臂實現手術成功所需的精度。在以上兩種情況中，對實現引導和控制的主要檢測/反饋環路中的中斷或不準確性進行修正，是保護機器和生命的關鍵。

專門針對極端物聯網應用而設計的高性能 MEMS IMU 提供了一種解決方案，例如 ADI 公司的 ADIS1647x 和 ADIS1646x，它們能夠支持零點幾度的指向精度和精確的地理定位，同時尺寸和性價比也滿足需要。它們能減少角度抖動，并在其他傳感器停機或中斷時提供主要引導，以確定復雜應用中的系統狀態。它們將曾經簡單的機器測量發展為機器控制，并進一步演化為真正的機器智能。

極端物聯網需要相時而動

物聯網發展的一個方面是需要更多的信息，而不僅僅是增加系統中的傳感器數量和測量更多的模態。我之前談到了系統的巧妙分區，將物聯網系統分解為需要在邊緣（傳感器或網關）執行的操作和需要在云端執行的操作。極限物聯網需要超越靜止的、相連的，有時甚至是笨拙的傳感器，而不管它們產生的數據有多少。如果目標是運動的，該怎么辦？運動物聯網非常復雜，其不限于簡單的數據收集，還涉及如何智能地跟蹤和測量。然而，關于“何時”進行測量的信息幾乎同樣重要。只有將事件與帶時間戳記的數據集同步，才能讓機器學習各種條件所表示的意義。

只有這樣，才能釋放物聯網的真正魔力（將數據轉化為價值或智慧）。

工業以太網中的時間敏感數據

為了進行事件時序控制和過程分析，工業應用有兩個關鍵要素：保證“準時”的可靠數據傳輸和帶準確時間戳記的數據。當數據必須在恰當的時刻出現時，確定性網絡可以實現從運動控制應用到過程控制和工廠自動化應用的所有功能。帶時間戳記的數據可用于算法中以揭示整個工廠的趨勢，從而深化信息的價值。

在2017年巴塞羅那物聯網解決方案世界大會上，業界提出了一些想法來展示時間敏感網絡(TSN)和新IEEE標準的價值及準備情況，它們能支持機器和過程的實時控制與同步。愿景是通過在生產設施中部署開放、標準的確定性網絡，實現支持工業物聯網和工業 4.0 的柔性制造。ADI 公司是其中一種獲獎解決方案背后的17個合作伙伴之一。

物聯網發展非常迅速，解決方案的設計應具有靈活性以滿足當前和未來的需求。例如，ADI 公司 的 fido5000 實時以太網多協議(REM)交換芯片專為當今所有主要的工業以太網協議而設計，其可配置模塊也使其更容易支持未來的 IEEE 802.1 TSN 協議。

可靠無線網絡的挑戰

復雜的系統挑戰需要全面的系統解決方案。物聯網是一個系統，一個能力巨大、機會無限、澤被天下的系統。對于那些希望發揮其巨大潛力的人來說，所有這一切都非常復雜。最成功的結果將來自某種系統化方法。極端物聯網解決方案需要在最廣泛的條件下提供最精確和最安全的數據，并在網絡邊緣進行低功耗處理，進而可靠地連接到云端。

極端物聯網正從互連傳感器的堆砌發展成為可以運動的系統（“運動物聯網”），或與域劃分無關的系統，即分析既可以發生在傳感器邊緣，也可以發生在云端。利用基于時間或帶“時間戳”的數據，可以從邊緣或云端的諸多傳感器數據集中洞察情況或預測結果。但最后，當數據被發送到云端時，必須以最高可靠性完成傳輸，這一點至關重要。

考慮第一部分中的例子：位于沙漠中心的傳感器，位于北極深處的另一個傳感器，或充滿無線電干擾的工廠中運動機器人上的傳感器。在此類極端環境中生存和運行是極具挑戰性的。

低功耗可靠無線傳感器網絡(WSN)

無線物聯網必須滿足與有線網絡相同的要求，但這些要求不僅僅是在惡劣條件下進行可靠傳輸。無線網絡還必須提供強大的性能、安全性和盡可能低的功耗。雖然無線電是一個關鍵組成部分，并且有許多低功耗無線電解決方案可用，但網絡協議和架構在決定整體解決方案的性能和功耗方面起著重要作用。根據應用的不同，需求可能有很大的不同，有的要求連續傳輸大數據集，有的要求“根據需要”傳輸少量信息。但在所有情況下，數據都需要具備強大的安全性，包括加密和認證。

采用高效傳感器網絡、芯片和預認證 PCB 模塊，并使用 Mesh網絡軟件的解決方案，可支持傳感器在惡劣的工業物聯網環境中進行通信。例如，ADI 公司的 SmartMesh? 無線網絡產品利用時間同步信道跳變協議傳輸數據，內置自診斷功能。每個無線節點都有一個板載 ARM Cortex-M3，其可用作邊緣處理器。這樣，系統僅傳輸必要的信息，從而降低功耗和成本?？煽縒SN通信、智能傳感和低功耗的這種特殊組合，使得 SmartMesh 等無線解決方案非常適合安裝在要求嚴苛的工業環境中的任何地方。