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長距離匯流排:推動此科技的行業要求
 

【作者: Sreedharan Bhaskaran】   2021年06月03日 星期四

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根據MarketsAndMarkets公司的研究,預計全球物聯網市場將從2017年的235億美元增長到2021年的5200億美元,占年複合增長率的22%。隨著工業4.0和物流4.0的實施,預計在整個十年內,這種高增長情?將持續下去—因此,生產力的提高、過程效率的提高、設備停機時間的縮短和勞動力的?少都將得以實現。


一個物聯網系統通常由三部分組成,分別是感測器和執行器的網絡,它們再連接到一個閘道。該閘道則連接到雲端。感測器獲取的數據將在閘道中進行整理,並轉發到雲端,然後在雲端進行處理和分析。


控制消息從雲端流向閘道,閘道有效地充當雲端與網絡邊緣的感測器/執行器設備之間的中繼。一些閘道包含處理功能。這有助於?少所需的資料傳輸,因此沒有過度堵塞的風險。這也意味著實?響應可以從中受益,從而避免了數據必須返回到基於雲端的系統,然後返回響應消息的延遲。這種閘道稱為邊緣處理器。


基於雲端的處理和儲存資源使數據能?被仔細檢查或顯示在儀表板上。它還可以處理警報-可以發送短訊、電子郵件或推送通知到相關設備,從而採取接下來的動作。


部署由感測器和執行器組成的物聯網系統並非沒有挑戰。工程師面臨的一些挑戰與感測器/執行器與指定閘道的距離或指定區域中感測器/執行器的密度有關。通訊基礎設施的速度、安全性和運行可靠性可能帶來其他挑戰。


最後,還有網絡的供電要考慮。


距離問題主要通過部署無線感測器來解?,然而,在工業環境中,這並不總是可能的,因為混凝土和鋼建築結構會阻礙和降低信號強度。以更高的功率水准傳輸將意味著電池耗盡過快(因此新增了相關的維護成本,因為電池需要更頻繁地更換)。


此外,來自其他設備的EMI雜訊可以影響無線通訊的有效性,並且這種傳輸相對容易被協力廠商窺探。因此,在工業環境中,採用有線解決方案通常更為合適。


為了解?上述問題,Bridgetek研發長距離感測器匯流排(LDSBus)。這是一個供電和差分串列匯流排,有效傳輸距離達200米。主機單元通過匯流排將電源分配給連接到匯流排的所有週邊感測器/執行器單元。匯流排的供電電壓為24伏,一個主機單元管理和監督從機單元,稱為LDSBus單元(LDSUs)。感測器和致動器可連接至匯流排並由主機控制。匯流排以230kbps的資料速率運行,並提供足?的頻寬來控制匯流排上多達127個LDSU。


LDSBus架構允許LDSU包含多達10個感測器和/或執行器。Bridgetek已經為客戶開發了LDSU感測器和執行器。這些是:


‧ 4合1感測器,內建溫度、濕度、環境光和運動感測功能,所有這些功能都封裝在緊湊的機殼中。


‧ 室內空氣品質(IAQ)感測器,用於量測和監測建築物、工作區和工業場地內的空氣品質水准。


‧ 基於熱電偶的溫度感測器,能?監測極端溫度(高達攝氏1372度)


‧ 用於光合作用過程監測(在智慧農業應用中)或用於監測員工工作環境(在日常工作環境檢測應用中)的二氧化碳氣體感測器。


‧ 用於檢測壓力變化的壓力傳感感測器。


‧ 土壤濕度、pH值和電導率量測感測器,用於監測精確的營養狀況,以獲得最佳作物產量(同樣,與智慧農業相關)。


可用於LDSBU的其他形式的硬體項目,包括:


‧ 用於控制/調光照明的LED後緣調光器


‧ 用於泵和電機控制的開/關繼電器。


‧ 用於控制紅外設備的紅外控制器。


匯流排主幹中的LDSU連接點是通過將高壓T形接頭插入匯流排段來創建的。每個接頭都由一個上行和下行RJ-45連接器組成,用於擴展24V主幹。該骨幹由Cat5E電纜構成。4個RJ11/RJ12連接器的陣列可連接多達4個LDSU。高壓T型接頭將24V電源轉換為適合LDSU的5V電源。匯流排上的最後一個LDSU(離主機最遠的LDSU)必須啟用其匯流排終端以保持穩定的通信。


Bridgetek LDSBus的供電無需電池,因此節省了更換電池的相關勞動力。傳輸的差分特性確保了高共模雜訊抑制(這可以緩解EMI問題),而匯流排的有線特性意味著「中間人」無線監聽不再是一個問題。三個匯流排(每個匯流排半徑200米)可以覆蓋12個足球場。LDSBU可以包含多達381個LDSU(或3810個感測器和執行器),因此可以實現高節點密度。


為了支持所涉及的硬體,Bridgetek提供了一個稱為LDSU程式設計實用程式的軟件實用程式。這可以程式設計LDSU地址、名稱和終端。Python腳本和Bridgetek LDSBus庫的範例演示了如何在Windows、Linux或Raspberry-Pi上實現LDSBus源單元(主端)。


(本文作者Sreedharan Bhaskaran為Bridgetek軟體工程總監)


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