智能传感器在工业物联网中的应用，能够带来怎样的好处

工业物联网（IIoT）为设备提供了一个平台，可以分享比以往更多的数据，从而实现对流程，机器和维护计划的更复杂的控制和管理。传统的数据采集方法，如SCADA，其中被动传感器将原始数据传回中央控制器，预计将让位于IIoT解决方案，可提供更快的响应时间，高效的数据收集能力和大数据服务，如预测性维护自治系统自我优化。

图1：将数据收集到SCADA系统中非常复杂，分析能力相对有限。

图1说明了传统的工业传感器网络，其中SCADA系统接收并处理传感器数据，并负责后续决策。在IIoT实现的新模型中，嵌入式智能在本地处理传感器数据，以便与完成当前流程相关的实时决策。此外，精致的传感器信息将被转发到云端。在这里，大数据应用程序基于从整个传感器网络收到的全套信息执行深度分析。

在云中执行的分析能够识别人类操作员或分析师无法检测到的趋势和模式，生成更高级别的智能，使流程，设备，工厂和企业能够更高效，更高效，更具成本效益地运营。例如，对制造企业有用的典型的基于云的分析服务可以包括生成诊断数据，自动重新优化设备设置，订购新的供应品或机器部件，安排维护以及管理查询或报告服务。通过这种方式，IIoT将使企业能够提高生产力，降低成本，减少停工和服务成本，并在整个企业中分享更多更好的情报，以指导战略决策。

物联网世界论坛（IOTWF）已经提供了一个参考模型，如图2所示，它描述了物联网的各个层，并帮助可视化它们的相关角色。该模型的基础是物理设备和控制器，包括智能传感器等智能边缘节点。

图2：IOTWF参考模型描述了IIoT的结构。

智能边缘节点

智能传感器对于实现IIoT的目标至关重要。为了实现智能传感器设计，离散传感器可以直接连接到微控制器I/O，或通过包含分立元件或模拟前端（AFE）IC的模拟接口。在微控制器上运行的应用程序负责解释传感器数据，以便控制传感器的即时响应，并负责将传感器数据转发到云端。

考虑构建基于a的智能温度传感器热电偶如Crouzet 79696034.必须使用分立ADC或微控制器的集成转换器（如果可用）将低压热电偶信号放大并转换为数字表示。 ADI公司发布了一个参考设计CN0209，用于完整的过程控制模拟前端，具有各种输入，包括电压检测，4-20 mA电流检测和热电偶检测。热电偶输入使用ADI公司最高增益设置AD7193 ADC，并使用ADT7310 16位温度传感器IC通过测量导线连接到电路板的温度来提供必要的热电偶冷端补偿。此外，AD8617放大器提供热电偶测量所需的参考电压。

采用另一种方法，Maxim MAX31850是一个完整的热电偶至数字前端，具有冷端补偿和参考电压生成内置（图3）。它有两个热电偶输入和一个1-Wire数字输出。该器件具有VDD引脚，但如果需要，也可以仅通过1-Wire连接获取其工作功率。唯一需要的其他连接是四个地址引脚，在同一条1-Wire数据线上最多允许16个热电偶，可以连接到微控制器的数字输入。

图3：MAX31850需要最少的外部电路连接到智能传感器主机微控制器。

为了进一步简化开发，Adafruit 1727是一款评估板，用于将MAX31850连接到K- Crouzet 79696034型热电偶。电路板有一个双针接线端子，可以方便地插入热电偶引线，1-Wire协议所需的数据线上拉电阻，以及用于插入原型的引脚接头板。 Adafruit还在github.com/adafruit上发布了与MAX31850数据格式兼容的库，以及示例。图4显示了用于设置传感器分辨率和收集温度数据的示例代码摘录。

//将分辨率设置为9位（每个达拉斯）/Maxim器件具有多种不同的分辨率）

sensors.setResolution（insideThermometer，9）;

Serial.print（“器件0分辨率：” ）;

Serial.print（sensors.getResolution（insideThermometer），DEC）;

Serial.println（）;

}

//打印设备温度的功能

< p> void printTemperature（DeviceAddress deviceAddress）

{

//方法1 - 慢

//Serial.print（“Temp C：”）;

//Serial.print（ sensors.getTempC（deviceAddress））;

//Serial.print（“Temp F：”）;

//Serial.print（sensors.getTempF（deviceAddress））;//第二次调用getTempC，然后转换为Fahrenheit

//方法2 - 更快

float tempC = sensors.getTempC（deviceAddress）;

Serial.print（“Temp C：”）;

Serial.print（tempC）;

Serial.print（“Temp F：”）;

Serial.println（DallasTemperature :: toFahrenheit（tempC））;//将tempC转换为Fahrenheit

图4：与Adafruit MAX31850板一起使用的伪代码示例。

智能传感平台

另一方面，与构建智能传感器相关的许多设计挑战可能是完全避免使用B + B SmartWorx Wzzard智能传感平台。提供入门工具包（图5），其中包括用于连接蜂窝或以太网的网关，以及一组智能边缘节点，为各种传感器提供输入，如模拟和数字输入，加速度计输入和J或K型热电偶输入。支持物理连接传感器的各种方式，并且每个节点使用支持SmartMeshIP无线网络技术的IEEE 802.15.4e无线电连接到网关。通过MQTT IoT协议和开放标准JSON（JavaScript Object Notation）轻量级数据交换格式进行通信。 MQTT是一种轻量级的机器对机器协议，对物联网应用具有许多优势，例如代码占用空间小，网络带宽要求低，功耗低。根据传感器采样和报告速率，每个节点提供的2.4 Ah电池可以使用长达数年。

图5：可配置的智能边缘节点和蜂窝/以太网网关。

只要遵守一些基本规则，例如确保每个边缘节点在至少三个其他设备的范围内，并且至少有三个“第一跳” “设备在网关范围内，Wzzard网状网络可以自我形成，自我管理和自我优化。在理想条件下，节点可以具有多达1000米或更多的范围。可以使用通过蓝牙® LE连接到节点的Android智能手机或平板电脑来完成各个节点的配置数据，例如校准和缩放信息，节点名称以及地理定位等其他信息。

Wzzard网络可以立即连接到Autodesk ® SeeControl，这是一种基于订阅的可扩展物联网云服务，允许订户使用简单的拖放功能配置分析，将传感器信息转换为商业智能。 Wzzard还可以连接到IBM Bluemix云应用程序平台。

结论

IIoT边缘的智能传感器捕获数据，这对于实时管理工业设备至关重要并提供专注于从数据中提取智能的云应用程序，以支持更高级别的企业目标。构建智能传感器的各种方法都是可行的，利用参考设计，可轻松连接到微控制器的集成前端设备，或使用可配置的智能传感平台。