传感器和物联网的介绍和“极端物联网”的详细资料概述

在最高层次上，物联网通常与日益增加的互连传感器相提并论。

但随着物联网的不断发展，我们对它的面貌和功能的理解也在加深。

传感器数量在增加，它们收集的信息量也随之增加。而且，所有这些数据都计划传到云端，让物联网淹没在信息当中，过重的负担使其难以将信息转化为洞察。

有其他方面的考虑，例如：传输所有这些数据需要多少功耗？如果把垃圾放入云中，如何期望从中获得洞察？如果因为超范围测量或算法而需要立即采取措施，结果会怎样？如果只须将数据保存在本地呢？如果网络发生故障，该怎么办？

IoT 远不止是互连传感器

这种不断增长的复杂性正在改变许多物联网圈子的思维。主要分析机构（如McKinney等）认为，实际使用的云数据只有1%。即便是像微软这样的大规模云合作伙伴，也在将其关注重点从中心的云转向边缘的传感器。边缘常常可能处于极端环境。

想想沙漠中心的传感器，位于北极深处的传感器，或者充满无线电干扰的工厂中的移动机器人上的传感器。在此类极端环境中生存和运行是极具挑战性的。但如果收集的数据是一个复杂的波形，或者数据量非常庞大，以至于需要大量的电力才能将其定期发送到云端呢？

极端物联网应用通常要求采用系统化方法来设计端到端应用。在最恶劣的条件下进行精密检测和测量，节点处的低功耗信号处理，以及可靠的连接，是最大限度发挥极端物联网作用的三大关键要素。

极端物联网的表现之一是：事情根本不会保持不变！

运动物联网

高性能工业传感器正在将传统的机械式固定功能静止设备变成日益智能化的自主移动设备。传感器节点的精确运动跟踪和位置判定成为应用成功的关键。来自节点的位置信息将支持智能农场等应用利用自主式陆地车辆和飞行器降低成本并提高产量。在医院手术室，它将有助于精确制导机器人手臂实现手术成功所需的精度。在以上两种情况中，对实现引导和控制的主要检测/反馈环路中的中断或不准确性进行修正，是保护机器和生命的关键。

专门针对极端物联网应用而设计的高性能 MEMS IMU 提供了一种解决方案，例如 ADI 公司的 ADIS1647x 和 ADIS1646x，它们能够支持零点几度的指向精度和精确的地理定位，同时尺寸和性价比也满足需要。它们能减少角度抖动，并在其他传感器停机或中断时提供主要引导，以确定复杂应用中的系统状态。它们将曾经简单的机器测量发展为机器控制，并进一步演化为真正的机器智能。

极端物联网需要相时而动

物联网发展的一个方面是需要更多的信息，而不仅仅是增加系统中的传感器数量和测量更多的模态。我之前谈到了系统的巧妙分区，将物联网系统分解为需要在边缘（传感器或网关）执行的操作和需要在云端执行的操作。极限物联网需要超越静止的、相连的，有时甚至是笨拙的传感器，而不管它们产生的数据有多少。如果目标是运动的，该怎么办？运动物联网非常复杂，其不限于简单的数据收集，还涉及如何智能地跟踪和测量。然而，关于“何时”进行测量的信息几乎同样重要。只有将事件与带时间戳记的数据集同步，才能让机器学习各种条件所表示的意义。

只有这样，才能释放物联网的真正魔力（将数据转化为价值或智慧）。

工业以太网中的时间敏感数据

为了进行事件时序控制和过程分析，工业应用有两个关键要素：保证“准时”的可靠数据传输和带准确时间戳记的数据。当数据必须在恰当的时刻出现时，确定性网络可以实现从运动控制应用到过程控制和工厂自动化应用的所有功能。带时间戳记的数据可用于算法中以揭示整个工厂的趋势，从而深化信息的价值。

在2017年巴塞罗那物联网解决方案世界大会上，业界提出了一些想法来展示时间敏感网络(TSN)和新IEEE标准的价值及准备情况，它们能支持机器和过程的实时控制与同步。愿景是通过在生产设施中部署开放、标准的确定性网络，实现支持工业物联网和工业 4.0 的柔性制造。ADI 公司是其中一种获奖解决方案背后的17个合作伙伴之一。

物联网发展非常迅速，解决方案的设计应具有灵活性以满足当前和未来的需求。例如，ADI 公司 的 fido5000 实时以太网多协议(REM)交换芯片专为当今所有主要的工业以太网协议而设计，其可配置模块也使其更容易支持未来的 IEEE 802.1 TSN 协议。

可靠无线网络的挑战

复杂的系统挑战需要全面的系统解决方案。物联网是一个系统，一个能力巨大、机会无限、泽被天下的系统。对于那些希望发挥其巨大潜力的人来说，所有这一切都非常复杂。最成功的结果将来自某种系统化方法。极端物联网解决方案需要在最广泛的条件下提供最精确和最安全的数据，并在网络边缘进行低功耗处理，进而可靠地连接到云端。

极端物联网正从互连传感器的堆砌发展成为可以运动的系统（“运动物联网”），或与域划分无关的系统，即分析既可以发生在传感器边缘，也可以发生在云端。利用基于时间或带“时间戳”的数据，可以从边缘或云端的诸多传感器数据集中洞察情况或预测结果。但最后，当数据被发送到云端时，必须以最高可靠性完成传输，这一点至关重要。

考虑第一部分中的例子：位于沙漠中心的传感器，位于北极深处的另一个传感器，或充满无线电干扰的工厂中运动机器人上的传感器。在此类极端环境中生存和运行是极具挑战性的。

低功耗可靠无线传感器网络(WSN)

无线物联网必须满足与有线网络相同的要求，但这些要求不仅仅是在恶劣条件下进行可靠传输。无线网络还必须提供强大的性能、安全性和尽可能低的功耗。虽然无线电是一个关键组成部分，并且有许多低功耗无线电解决方案可用，但网络协议和架构在决定整体解决方案的性能和功耗方面起着重要作用。根据应用的不同，需求可能有很大的不同，有的要求连续传输大数据集，有的要求“根据需要”传输少量信息。但在所有情况下，数据都需要具备强大的安全性，包括加密和认证。

采用高效传感器网络、芯片和预认证 PCB 模块，并使用 Mesh网络软件的解决方案，可支持传感器在恶劣的工业物联网环境中进行通信。例如，ADI 公司的 SmartMesh® 无线网络产品利用时间同步信道跳变协议传输数据，内置自诊断功能。每个无线节点都有一个板载 ARM Cortex-M3，其可用作边缘处理器。这样，系统仅传输必要的信息，从而降低功耗和成本。可靠WSN通信、智能传感和低功耗的这种特殊组合，使得 SmartMesh 等无线解决方案非常适合安装在要求严苛的工业环境中的任何地方。