选择工业物联网标准的中间件解决方案

June 12, 2017 John Blyer

物联网存在着与标准相关的问题。 在家庭自动化和工业物联网 (IIoT) 中,新的标准不断创建,而现有的标准也会不断快速发展。

这使得物联网开发人员陷入了困境:他们如何通过转变物联网标准来确保其硬件和软件不会过时?

答案是需要一个可以适应变化的灵活系统。 传统的工程解决方案(如可定制的硬件或软件应用)在某些情况下不会起作用,而更为全面的解决方案是中间件。

为什么中间件解决方案可能比过去更具吸引力?回答这个问题需要对相关物联网标准和当今技术有基本的了解。

工业物联网 (IIoT) 挑战

与物联网相同的是,工业物联网将智能传感器连接到互联网。 与物联网不同的是,工业物联网的主要目标是捕获重要信息,使企业能够更好地做出关键任务决策。 物联网关注物,而工业物联网真正涉及的是这些物如何相互通信以及如何处理它们创建的数据。 关注的焦点是为什么互操作性标准如此重要。

工业物联网的早期版本处理机器到机器 (M2M) 系统,该系统意图利用专有和行业特定的标准来建立数据仓库。 为了使工业物联网工作,标准必须不断发展以允许对所有所需数据的开放访问和互操作性。

互操作性和数据驱动标准

为了使不同生产线机器上的不同传感器的数据共享标准化,几个组织正在合作制定互操作性规范。 这些组织包括机器自动化与控制组织 (OMAC),OPC 基金会(PLC 专用协议如 Modbus、Profibus 等)以及 PLCopen。 这些规范将允许其现有的自动化标准共享工业物联网信息。

最近成立的开放连接基金会 (OCF) 源自早期的开放互联联盟。 OCF 的使命只是创建一个开放的物联网互操作性规范。 早期成果包括嵌入式开发人员用于设备发现的通用连接框架、通用交互和数据模型,以及在抽象物理连接硬件(和相关协议)时所需的强大安全框架。

诸如工业互联网联盟 (IIC) 等其他团体专注于连接技术。 IIC 的框架由三层架构模型组成,其中每个层在处理数据流和控制流中发挥特定的作用。 如图 1 所示,它们通过三个网络进行连接。 在此框架中,中间件部分主要包含在“平台层”。

图 1:IIC 用于数据采集、处理和控制的三层架构模型。 (由 IIC 免费提供:工业物联网 G1 卷:参考架构

与几个物联网段有重叠的另一个连接标准是线程。 它是物联网“智能”设备在本地无线网上进行通信的网络协议。 当与 ZigBee 3.0 和其他应用层协议配合使用时,线程可以帮助建立安全的分布式短距离 RF 网络。

由于早期 M2M 时代的现有连接标准如此之多,因此许多在以前时代中占据主导地位的公司和组织正在将其标准演变为工业物联网的新现实。 示例包括现有的 Modbus 协议、HART 通信协议标准和国际自动化协会 (ISA) 标准。

中间件带来灵活性

中间件属于软件,其向设备嵌入式操作系统所提供应用之外的应用提供服务。 有些人认为中间件包括设备和应用之间的所有软件,但大多数人将其视为网络之上的层。 中间件作为抽象层,使软件开发人员更容易实施通信,这样他们就可以将精力完全放在开发应用上。

因此,中间件通过充当将不同标准和异构设备连接在一起的软件纽带来帮助物联网开发人员。 例如,中间件为物理(无线电)层通信提供了 API,并为应用提供所需的服务 – 得益于中间件,软件开发人员无需再担心这两个主要平台领域。

机器到机器重叠

许多现有的机器到机器 (M2M) 通信与家庭自动化应用相重叠,例如恒温器与门窗联网以最大程度控制温度。 设备使用多个现有协议来转换传感器或相关数据,包括 MQTT、AMQP、HTTP 等。 在许多情况下,可以将开放移动联盟 (OMA) LightweightM2M (LWM2M) 作为其中部分协议的替代方案。

LWM2M 提供专为传感器网络和机器到机器 (M2M) 环境设计的远程设备管理协议。 设备管理涉及各种设备问题,从访问控制到更改设备参数再到软件更新和错误修复等。

硬件-软件缺点

上述大多数应用和平台都被认为是物联网(Google Weave、Apple Homekit 和 OCF IoTivity)的中间件。 它们都有一个 API 框架,以实现智能家居设备之间的通信和互操作性。

中间件不是应对不断发展之标准的唯一方法,但它可能是最可取的方法。 过去,称为现场可编程逻辑门阵列 (FPGA) 的软件可配置硬件设备,甚至软件应用都被用于更新设备以适应标准的变化。

Altiux Innovations 市场总监 Sushmita Sharma 指出,这些方法的缺点是它们需要设备制造商投入大量的工程工作来整合新的标准和协议,从重新编程 FPGA(有时是手动)到编写新的软件堆栈和应用。

“相比之下,中间件解决方案可以整合多个标准,隐藏其复杂性并为应用开发提供统一的 API。”Sharma 解释说。 “这样以来,如果 OEM 需要迁移到不同的标准,他们就不需要整合这个新标准。 相反,它将成为中间件封装的一部分,或可以通过统一 API 轻松插入,从而节省了新开发的时间和成本。”

中间件解决方案的优势

Altiux 提供了物联网中间件框架的一个示例。 该封装与基于英特尔® Quark™ 微控制器、Intel Atom® 处理器和英特尔® 酷睿™ 处理器的英特尔® 硬件平台相集成。 它通过支持物联网设备和网关 OEM 进行面向未来的投资来应对技术过时的挑战。 抽象框架为诸如 OCF、OMA LWM2M、Apple Homekit 等各种不断发展的标准提供插件,并为编写应用的开发人员提供统一 API。

中间件优势在于设备 OEM 可以从一个通信标准迁移到另一个通信标准,而无需在应用层软件中进行任何更改。 同样,网关制造商可以确保他们能够实现来自不同标准的异构设备之间的互操作性,而不会面临技术过时的风险。

结语

工业物联网仍然是基于旧 M2M 系统的相对较新的技术。 因此,存在很多不断发展的现有标准和基于联盟的较新标准。 这给开发人员带来了他们应基于哪些标准开发项目的问题。 他们如何通过动态转变物联网标准,确保其硬件和软件不会过时?得益于半导体系统的成本效益不断提高,中间件在性能和可访问性方面优势凸显,已成为更具吸引力的解决方案。

作者简介

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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