選擇工業物聯網標準的中庸之道

June 12, 2017 John Blyer

物聯網的標準是個棘手問題。 家庭自動化及工業物聯網 (IIoT) 經常開發出新標準,而現有的標準也持續地快速演變中。

這讓物聯網開發人員陷入困境:如何才能確保他們的硬體及軟體在物聯網標準改變時,不會變成過時的產品呢?

答案就是彈性靈活,可適應各種變化的系統。 在某些情況下,量身打造的硬體或軟體應用程式等傳統工程解決方案可以發揮功效,但中介軟體才是全方位的解決方案。

相較以往,為什麼中介軟體解決方案現在更有吸引力了呢?要回答這個問題,我們必須對於相關的物聯網標準與當前的技術有基本認識。

工業物聯網 (IIoT) 的挑戰

工業物聯網與物聯網同樣是連結智慧感應器與網際網路的橋樑。 但與物聯網不同之處,在於其主要目標是擷取重要資訊,以便企業能做出更好的關鍵任務決策。 物聯網著重於物件,而工業物聯網要處理的是如何讓這些物件能夠彼此溝通,同時也要能夠取得這些物件產出的資料。 這種著重的方向也就是互通標準會如此重要的原因。

工業物聯網的早期版本涉及機器對機器 (M2M) 系統,傾向於運用專有及產業特定標準,使資料無法互通。 為了讓工業物聯網能有效運作,相關標準必須進化,允許開放所有必要資料的存取權及互通操作能力。

互通操作能力及資料驅動標準

為了將來自不同生產線機械的多種感應器資料共享標準化,目前有數個組織正在共同制訂互通操作性規範。 這些團體包括機器自動化與控制組織 (OMAC)、OPC 基金會(PLC 特定通訊協定如 Modbus、Profibus 等等),以及 PLCopen。 這些規範讓現有的自動化標準得以共享工業物聯網資訊。

近期成立的開放互連基金會 (OCF) 則是來自於早期的開放互連聯盟。 OCF 的使命很簡單,就是創立一個單一的開放式物聯網互通操作性規範。 其初期成果包括提供嵌入式開發者探索裝置的通用連線架構、通用的互動和資料模型,以及從實體連線硬體與相關通訊協定抽取資訊時可運用的強大安全性架構。

工業網路聯盟 (IIC) 等其他團體,則著重於連線技術。 IIC 的架構包含了三層結構模式,每一層都有獨特的資料流處理與控制功能。 此架構運用三個網路相互連接,如圖 1 所示。 在此架構中,中介軟體主要包含於「平台層」之中。

圖 1:IIC 的三層結構模式,可擷取、處理及控制資料。 (引用自 IIC: The Industrial Internet of Things Volume G1: Reference Architecture

另一個可運用在多個物聯網區塊上的連線標準為 Thread。 這是物聯網「智慧」裝置與區域無線網狀網路之間的網路通訊協定。 與 ZigBee 3.0 及其他應用程式層級通訊協定配對時,Thread 可協助建立安全的分散式短距離 RF 網路。

由於早期的 M2M 世界建立了許多現有的連線標準,許多在先前領域中具有主導地位的公司及組織,正在努力轉化這些標準,以便能符合工業物聯網的實際狀態。
現有的 Modbus 通訊協定、HART 通訊協定標準,以及國際自動化協會 (ISA) 標準,都是正在轉型中的範例。

彈性靈活的中介軟體

中介軟體提供的應用程式服務與裝置的嵌入式作業系統不同。 有些人認為中介軟體包含了所有裝置與應用程式之間的軟體,但大多數人將其視為網路之上的某一層。 中介軟體的作用就是抽象層,讓軟體開發人員能夠更簡便地實作通訊,從而將專注力集中在應用程式開發。

藉由結合不同標準及異質裝置的軟體功能,中介軟體能為物聯網開發人員提供莫大的助力。 舉例來說,中介軟體能為實體(無線電)層的通訊提供 API,並為應用程式提供需要的服務,如此一來,軟體開發人員就不用擔心這兩個主要平台了。

機器對機器重疊

許多現有的機器對機器 (M2M) 通訊與家庭自動化應用重疊,讓溫度最佳化的門窗溫控器網路就屬於此類重疊範例。 許多現有的通訊協定是為了讓裝置與感應器或相關資料通訊所制訂,MQTT、AMQP、HTTP 等皆屬於此類通訊協定。 在許多情境中,開放行動通訊聯盟 (OMA) 的 LightweightM2M (LWM2M) 可作為這些通訊協定的替代方案。

LWM2M 提供專為感應器網路以及機器對機器 (M2M) 環境所設計的遠端裝置管理通訊協定。 從存取控制到變更裝置參數,從軟體更新到錯誤修復,裝置管理必須處理所有種類的裝置問題。

硬體式軟體的缺點

上述的應用程式及平台,大多被認為是物聯網的中介軟體,像是 Google Weave、Apple Homekit,以及 OCF IoTivity。 每個軟體中都包含了可在智慧家庭裝置間通訊及提供互通操作的 API 架構。

中介軟體不是唯一能因應不斷演進的標準的方法,但可能是最有利的方法。 在過去,我們使用稱作現場可程式化閘陣列 (FPGA) 的軟體可程式化硬體裝置,以及軟體應用程式,來執行裝置更新,以便符合標準變更。

此類方法的缺點在於裝置製造商必須耗費極大的工程設計時間,重新編程 FPGA (有時必須手動執行) 以及撰寫新的軟體堆疊和應用程式,才能整合新的標準與通訊協定。Altiux Innovations 行銷總監 Sushmita Sharma 說,

「相比之下,中介軟體解決方案可以整合多個標準,隱藏複雜性,並且提供應用程式開發的統一 API。」Sharma 進一步解釋。 「運用此種方法,在 OEM 必須變更為不同標準時,就不需要從頭整合新標準了。 取而代之的是運用中介軟體套件,或是簡單地經由統一 API 插入即可,這樣能夠節省新的開發時間與成本。」

中介軟體的優點

Altiux 提供了一個物聯網中介軟體架構的範例。 此套件整合以 Intel® Quark™ 微控制器做為基礎的 Intel® 硬體平台、Intel Atom® 處理器與 Intel® Core™ 處理器。 運用經得起未來考驗的物聯網裝置與 OEM 閘道投資,解決技術過時的挑戰。 此抽象架構為 OCF、OMA LWM2M 及 Apple Homekit 等多種發展中的規範標準提供外掛程式,同時也為撰寫應用程式的開發人員提供統一 API。

中介軟體的優點即為讓裝置 OEM 能夠在不變更應用程式層級軟體的情況下,從某個通訊標準整合至另一個標準。 此外,閘道製造商也能在不同的異質裝置間保持互通操作性,不必擔心技術過時的風險。

結論

迄今,工業物聯網仍舊是建立在舊型 M2M 系統上的新式技術。 所以我們會見到許多不斷演變的現有標準,以及較新的聯盟標準。 這讓開發人員在面對開發專案時,陷入了應使用何種標準的困境。 他們該如何確保自己在面對不斷變動的物聯網標準時,硬體和軟體都能不過時?由於半導體系統擁有持續性的成本效益,中介軟體在效能及可存取性方面,已然成為最具吸引力的解決方案。

作者簡介

John Blyer

John covers today’s latest high-tech, science and even science fiction in blogs, magazine articles, books and videos. He is an experienced physicist, engineer, journalist, author and professor who continues to speak at major conferences and before the camera on Chipestimate.com TV.

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