工业物联网传感器节点设计验证的关键因素

随着物联网的不断扩展，我们看到人们对在工业领域使用分布式传感器节点产生了浓厚的兴趣。然而，许多工业应用属于通常所说的“棕地”应用，需要新的硬件/软件解决方案与现有解决方案共存。此外，其中许多原位 解决方案可能已有 20 至 30 年的历史。那么，您如何将新技术引入已经存在的安装基础？

首先，我们需要了解当前正在解决的问题集的性质。在工业领域，我们经常谈论对现有物理过程的在线监控。这些范围可以从监测原油管道中内容物的温度到监测离开水处理设施时水中的氯含量。在工业领域，他们倾向于关注传感器技术的安装简单性和可靠性。在某些情况下，最先进的技术可能没有进步太多；也就是说，好的旧方法可能已经足够好了。在其他应用中，技术可能会取得重大进展，从而降低拥有成本并提高可靠性。

接下来，我们需要了解当前传感器系统所涉及的连接性。范围从物理连接类型（例如，RS-232/422、RS-485、20-mA 电流回路、以太网等）到协议。其中一些协议可以基于使用同步串行通信，例如 HDLC、Bisync、DDCMP、X.25 等。或者他们可能正在使用其他工业标准，例如 Profibus、Modbus、EtherCAT、DeviceNet，甚至是自定义协议。

此外，许多工业应用的本质是它们必须在各种各样的恶劣环境中生存，包括扩展的温度范围、冲击和振动、高湿度、不可靠的电源和间歇性连接。典型的工业运营商的一个特点是尽可能长时间地运行设备，即使可能有“更好”的解决方案，通过使用已经摊销的设备直到它报废来降低成本。工业基础设施中经常遇到的进一步复杂情况是，该解决方案可能是在 30 年前设计的，并且所有设计人员都已经离职或退休。这给当前的运营商在开始考虑分阶段推出新的传感器系统时留下了大量的未知数。

幸运的是，传感器市场现在提供了广泛的替代方法选择。许多老化的模拟组件现在已被微机电系统 (MEMS) 取代，这些系统比原来的同类产品更强大、更小、更节能。通常，这些传感器已经设计为利用新的通信媒体，例如 LoRaWAN、NB-IoT 蜂窝、Sigfox 甚至 Wi-Fi。

尽管工业运营商可能希望继续使用他们现有的电缆厂，但这可能不切实际。旧的工业通信接口可能不适用于更新的传感器系统。即使它们可用，它们也可能成本过高。需要进行一系列贸易研究以确定最具成本效益的沟通方式。如果决定采用无线解决方案，那么设计人员将需要根据要升级的系统的物理特性来研究解决方案的实用性。

在开始对现有系统进行任何重大更新之前，设计人员应进行简单的原型测试，尽可能多地重现操作约束。这可以使用市场上提供的众多开发套件之一来完成。这些通常包括商用现货 (COTS) 开发板、Linux 等操作系统和 COTS 无线电解决方案。

如果我们计划用无线解决方案代替硬线布线，则需要对射频 (RF) 频谱进行现场勘测，以确保频段适用于应用。通常，工业应用需要大型电机或其他射频干扰源。或者，仅存在大型金属结构，例如在石油平台上发现的那些，就足以限制无线解决方案的有效性。此类调查应在无线电选择之前进行，以便印刷电路板 (PCB) 设计人员和软件开发人员有足够的信息来就无线方法做出明智的决定。

使用新的物理传感器升级棕地应用程序的过程通常从芯片设计人员对新传感器的验证开始。称为物理验证，此过程涉及许多电子设计自动化 (EDA) 工具，包括设计规则检查 (DRC)、布局与原理图 (LVS)、电气规则检查 (ERC)、异或 (XOR) 和天线检查。

幸运的是，有许多协同设计供应商提供了一套自动化工具来执行这些检查。然后将经过验证的设计移交给硅代工厂，并使用适当的制造方法生产电路，以满足原始设计的要求（例如，扩展温度或冲击和振动）。从这里，封装的芯片交给 PCB 设计师进行板级设计。

对于高度敏感或任务关键型应用，PCB 设计人员必须确保存在经过验证和审核的供应链。过去，有记录在案的假冒芯片案例，通常具有较低的质量和高于正常的芯片死亡率问题，这迫使板级解决方案的开发人员验证组件供应商是否满足组件的可靠性要求。对于电力生产和水处理等关键基础设施的一部分应用尤其如此。

一旦板级解决方案准备就绪，就需要进行一系列环境测试，以验证传感器在部署环境中的性能。这包括热循环、冲击和振动测试、射频发射和敏感性测试（包括 FCC 认证）以及许多其他测试，具体取决于传感器工作环境的严重程度。对于某些应用，例如高湿度，电路板可能还需要进行保形涂层或“灌封”以保护电路免受环境影响。

假设传感器应用程序将使用某种微控制器或其他处理器（通常需要加密通信或管理无线解决方案），软件设计团队将需要就是否使用操作系统做出广泛的决定将需要软件设计理念、通信协议以及如何处理安全性。此外，如果这是一个棕地应用程序，软件团队将需要考虑与现有系统和数据收集端点的兼容性。

安全性是一个特别棘手的问题，因为我们需要考虑到现场的软件更新、配置传感器/无线电、使用加密密钥等。无论我们采取多少步骤来阻止对设备的访问（特殊螺钉、灌封，防篡改外壳等），我们必须假设设备在到达现场时已经受到损害。这给配置方法带来了特殊的负担，以使设备从软件角度尽可能安全。这将需要生成数字证书和/或使用安全电路，例如用于安全密钥和参数存储的智能卡芯片。

总而言之，棕地工业应用程序的更新将要求设计人员考虑广泛的设计标准。如果应用程序是关键基础设施的一部分，则范围从与现有系统的所需兼容性到平台的推出甚至供应链。

如果计划用无线方法替换现有的有线解决方案，则设计人员将需要执行大量测试，以确保在某些频率可能存在射频干扰的情况下，射频频率将在现场按预期传播。设计者最好在整个系统中加入安全机制，以保护它免受潜在的攻击者的侵害。应用程序升级将不是一项简单的任务。但密切关注细节将产生一种新的解决方案，既可以替代老化的现有设备，又可以在未来显着节省成本。

审核编辑：汤梓红