基于LDSBus部署传感器和执行器的物联网系统

　　随着工业 4.0 和物流 4.0 实施的推出，预计这种高水平的增长将在整个十年中持续下去 - 结果是生产力的提高、流程效率的提高、设备停机时间的缩短和劳动力的减少。传感器和换能器成本的下降、数据存储容量的增加以及更大的网络访问是有助于加速物联网部署活动的进一步因素。

　　任何物联网系统都将由三个部分组成。这些是连接到网关的传感器和执行器网络，网关随后连接到云。传感器获取的数据将在网关中进行整理并转发到云端，然后可以在云端进行处理和分析。控制消息从云流向网关，网关有效地充当云和网络边缘的传感器/执行器设备之间的中继。一些网关包含处理能力。这有助于减少所需的数据传输，从而不存在过度拥塞的风险。这也意味着可以受益于实时响应，从而防止数据延迟必须一直返回到基于云的系统，然后才能返回响应消息。这样的网关被称为边缘处理器。基于云的处理和存储资源使数据能够被审查或显示在仪表板上。它还处理警报——可以作为短信、电子邮件或推送通知发送到相关设备，以便采取行动。

　　部署传感器和执行器的物联网系统并非没有挑战。工程师面临的一些挑战与传感器/执行器与其指定网关的距离或给定区域中传感器/执行器的密度有关。通信基础设施的速度、安全性和运行可靠性可能会带来其他挑战。最后，还要考虑网络的供电。范围主要通过部署无线传感器来解决，然而，在工业环境中，这并不总是可行的，因为混凝土和钢结构建筑结构会阻碍和降低信号强度。以更高的功率水平发射将意味着电池耗尽过快（因此增加了相关的维护成本，因为电池需要更频繁地更换）。此外，来自其他设备的 EMI 噪声会影响无线通信的有效性，并且此类传输相对容易被第三方窥探。因此，在工业环境中采用有线解决方案通常更合适。

　　为了解决刚才概述的问题，Bridgetek 开发了长距离传感器总线 （LDSBus）。这是一种供电和差分串行总线，可以在最远 200m 的距离上运行。主机单元通过总线将电源分配给连接到总线的所有外围传感器/执行器单元。总线采用 24V 供电，单个主机单元管理和监督从属单元，称为 LDSBus 单元 （LDSU）。传感器和执行器可以连接到总线并由主机控制。该总线以 230kbps 的数据速率运行，并提供足够的带宽来控制总线上多达 127 个 LDSU。

　　LDSBus 架构允许 LDSU 包含多达 10 个传感器和/或执行器。Bridgetek 为客户实施开发了其 LDSU 传感器和执行器。这些是：

　　包含温度、湿度、环境光和运动感应功能的 4 合 1 传感器，所有这些功能都封装在一个紧凑的外形尺寸中。

　　室内空气质量 （IAQ） 传感器，用于测量和监控建筑物、工作空间和工业场所内的空气质量水平。

　　基于热电偶的温度传感器，能够监测极端温度（最高 1372°C）。

　　用于光合作用过程监测（在智能农业环境中）或用于监测员工健康（在日常工作环境中）的 CO2 气体传感器。

　　压力传感传感器检测压力变化。

　　土壤水分、pH 值和电导率测量传感器，用于监测精确的养分水平以实现最佳作物产量（同样，与智能农业相关）。

　　Bridgetek 还开发了可与 LDSBus 一起使用的其他形式的硬件。这些项目包括：

　　用于控制/调光照明的后缘 LED 调光器。

　　用于泵和电机控制的开/关继电器。

　　用于控制红外设备的红外控制器。

　　LDSU 连接到总线主干的点是通过将高压 T 形接头插入总线段来创建的。这些接头中的每一个都包含一个上游和下游 RJ-45 连接器，用于扩展 24V 主干。该骨干网由 Cat5E 布线构建而成。一组 4 个 RJ11/RJ12 连接器可以连接多达 4 个 LDSU。高压 T 型结将 24V 电源转换为适合 LDSU 的 5V 电源。总线上的最后一个 LDSU（离主机最远的一个）必须启用其总线终端以保持稳定的通信。

　　Bridgetek LDSBus 的供电主干消除了对电池和必须分配给电池更换的相关劳动力的需求。传输的差分特性确保了高共模噪声抑制（减轻了 EMI 问题），而总线的有线特性意味着“中间人”无线监听不再是一个问题。三辆公共汽车（每辆有200m的径向范围）可以覆盖12个足球场的面积。LDSBus 最多可包含 381 个 LDSU（或 3810 个传感器和执行器），因此可以实现高节点密度。

　　为了支持所涉及的硬件，Bridgetek 提供了一个名为 LDSU Programming Utility 的软件实用程序。这可以对 LDSU 地址、名称和终止进行编程。示例 Python 脚本和 Bridgetek LDSBus 库演示了如何在 Windows、Linux 或 Raspberry Pi 上实现 LDSBus 主机（主机）。

　　审核编辑：郭婷