工业物联网传感器系统设计师指南

作者：Rich Quinnell，特别项目编辑

现代工业系统的关键组件是向控制器、监视器和其他运行工厂的操作技术提供数据的传感器。传感器联网已经使用多年，但互联网的出现扩大了使用传感器系统的机遇和挑战。随着传感器成为工业物联网 (IIoT) 的一部分，设计机遇和挑战也随之扩大。

传感器在现代工厂中扮演着各种各样的角色。除了为过程控制提供数据外，它们还有助于质量评估、资产跟踪甚至工人安全。强大的基于云的分析软件和人工智能的出现还允许使用传感器数据通过流程优化和预测性维护来降低生产成本。一旦路由到互联网，传感器数据就可以用于从供应管理到全球生产资源协调的各种用途。

为了满足这些众多目的，有多种传感器类型可供选择，并且不断推出新的和改进的版本。照明、温度、运动、位置、存在、视觉、力、流量和化学成分是最常见的传感器类型。几乎每种类型的过程或环境条件都有适合其测量的传感器类型，可从TE Connectivity 等广泛的投资组合公司和Aceinna等专业供应商处获得。

行业中使用的传感器类型多种多样，需要连接到物联网。（图片：后景）

传统上，众多传感器类型提供的信息仍然是本地资源，仅限于单个设施甚至单个机器。然而，低成本、广域连接选项的出现为从全球任何地方访问传感器数据打开了大门。这种可访问性为利用传感器数据和信息解锁了大量选项。立即引起广泛关注的是预测性维护，其中运行强大分析算法的远程计算机（在云中的某处）使用传感器数据近乎实时地确定机器的健康状况，以便在设备发生故障之前识别紧急维护需求。

不幸的是，将传感器连接到互联网并对数据做一些有用的事情并不是特别容易，尤其是在处理遗留传感器系统时。工业传感器使用多种协议将数据发送给传统用户。然而，互联网需要 TCP/IP 格式的数据，因此至少需要进行协议转换。可能需要集线器或网关来整合和集中数据，尤其是在许多传感器需要连接的情况下。并且数据必须有目的地，这意味着使用某种云服务至少存储数据以供以后检索，并且通常执行数据处理。

当然，这种连接方式是双向的，因此将传感器连接到网络提供了远程配置和控制的机会。它还引发了确保发送的数据和传入的控制命令的安全性的需求（请参阅 EE Times：工业物联网被黑客入侵的那一天）。验证、配置和监控传感器群的状态是连接性产生的额外需求。因此，IIoT 工业传感器实际上是硬件和软件的复杂集合，跨越了从边缘设备到云端服务的鸿沟。建立这个集合的方式因情况而异。幸运的是，可供设计师申请的产品和服务也有很大差异。

将传感器系统引入 IIoT 需要复杂的硬件和软件生态系统。（图片：颠覆性技术）

对于许多开发人员而言，传统传感器系统将成为 IIoT 候选者。工业设备的使用寿命通常以几十年来衡量，因此有大量已安装的传感器基础需要转换为互联网连接。开发人员可以从添加智能无线电模块开始，例如来自Link Labs的那些，这些模块可以利用现有的传感器接口并提供必要的协议转换和连接。还有多种无线电网络可供选择，包括 Wi-Fi、蓝牙、LoRaWAN 和蜂窝网络。然后，连接遗留系统的开发人员将需要从众多提供工业服务的云服务提供商和分析软件提供商中进行选择。

对于新的系统设计，有多种选择。当然，一种是使用类似于遗留系统的设计方法，从裸传感器开始。必须添加一个控制器来提供传感器接口和数据安全，以及一个无线电来处理网络连接。与遗留系统一样，设计人员必须随后安排云服务。

然而，开发人员在创建新系统时不需要完全从头开始工作。已经出现了几种基于平台的方法，它们通过允许兼容组件的混合和匹配组装来简化传感器、控制器和无线电组件的组合。例如由 Arm、Advantech、Bosch Sensortec、Sensirion 和 Texas Instruments 联合开发的M2.COM 平台。该平台使用标准化的外形和接口，允许开发人员从众多不同供应商中选择符合要求的传感器和无线模块，然后简单地将它们连接在一起，安装平台的物联网软件代理，并开发他们的应用程序来创建传感器然后可以与各种云平台一起使用的模块。

使用标准化构建块（例如 M2.COM 平台）时，组装 IIoT 传感器系统会更简单。（图片：M2.COM）

有几个这样的云平台是专门为满足不自己制造传感器模块的供应商的工业传感器需求而创建的。其中包括Akoom和Kaa IoT Technologies等较小的公司，PTC ThingWorx平台等更成熟的参与者，以及GE 的物联网软件和西门子的 Mindsphere平台等行业巨头。

开发人员也可以选择放弃开发自己的智能传感器模块，而选择从更高级别的构建块开始。Disruptive Technologies、Episensor和Zenseio等公司提供具有内置控制器和无线电功能的完全集成的智能传感器。Axzon（前身为 RFMicro）的一种不同寻常的方法是在传感器模块中使用 RFID，从而避免了无线频谱管理的需要，但需要使用手持设备进行主动扫描以检索数据并将其发送到互联网。M2.COM 的创始人之一研华科技还通过其Wzzard系列提供完整的智能传感器模块，其中包括 LoRA 和网状网络方法。

一个完整的 IIoT 传感器系统，例如 Advantech Wzzard 系列的这个成员，将传感器、控制器和无线链路集成到一个坚固的封装中。（图片：研华）

然而，所有这些集成智能传感器产品的共同点是，供应商不仅仅提供智能连接传感器。他们还提供网关和软件，以与云平台服务提供商兼容的形式将数据安全地传输到云端。如果可用模块之一满足他们的传感需求，这将减轻设计人员建立 IIoT 传感器系统所需的所有硬件工作量。

将智能传感器系统与确保安全以及从 IIoT 传感器系统管理和提取可操作情报所需的许多软件服务结合起来所需的系统集成仍然很重要。为了减轻设计人员的这种负担，许多公司现在提供完整的端到端软件包，从传感器到云设备管理和分析服务。有些是较小的产品，例如 IoTiniI2OT 系列，它主要提供环境传感器以及通用模拟和数字传感器接口。QBurst将其传感器专注于监控应用而不是工业控制。

但边缘通过云的 IIoT 传感器系统市场也有一些主要参与者。这些公司通常提供各种传感器和配置，通常还提供定制设计支持。例如， ABB通过其 ABB Ability 计划提供端到端和闭环系统。Bosch-Sensortec提供多种通用传感器模块并支持 M2.COM 开发方法。罗克韦尔自动化的Allen-Bradley部门还利用其 IO-Link 无线电技术提供通用传感器以及更专业的压力和图像传感器。