工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)浪潮下的嵌入式系統

作者 / 王瑩 王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)浪潮洶涌而至迫使嵌入式系統開(kāi)始進(jìn)行深刻變革，芯片公司之間的并購與重組加劇，產(chǎn)品趨于平臺化，芯片不斷集成更多功能，同時(shí)注重軟件、云與服務(wù)等。為此，本媒體特別邀請業(yè)內部分代表廠(chǎng)商就未來(lái)嵌入式芯片在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)浪潮下的發(fā)展進(jìn)行了深入探討。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展趨勢

　　如果往今后來(lái)看，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上很重要的一個(gè)趨勢就是智能化，也可以說(shuō)人工智能技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域里應用會(huì )越來(lái)越廣泛。第一個(gè)原因是視頻、監控或者跟視頻相關(guān)的應用所產(chǎn)生的數據量比例確實(shí)很大，在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的數據里超過(guò)50%以上的數據都是跟視頻相關(guān)的非結構化的數據。這些數據對它的處理是業(yè)界的一個(gè)挑戰，以前大家很可能都是用肉眼去看，所采集到的視頻從里面發(fā)現異常的東西，但效率很低。

　　我們現在看到越來(lái)越多的公司開(kāi)始把智能化的方法、算法、技術(shù)用到這個(gè)領(lǐng)域里，其中人工智能就是非常重要的一個(gè)技術(shù)，現在已經(jīng)開(kāi)始在這個(gè)領(lǐng)域得到嘗試或進(jìn)行部署。就未來(lái)發(fā)展趨勢而言，人工智能技術(shù)會(huì )大大幫助視頻分析，能夠從中更準確、更迅速地提取人們所感興趣的信息。這個(gè)判斷實(shí)際上與英特爾對整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的趨勢判斷是一致的，因為英特爾認為物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)不管是什么樣的行業(yè)，它總的發(fā)展趨勢都會(huì )沿著(zhù)互聯(lián)、智能、自治這三個(gè)階段走，在自治階段體現的就是各種人工智能的技術(shù)來(lái)使整個(gè)系統更加智能，能更好、更自主化地進(jìn)行管理?，F在看到整個(gè)安防行業(yè)實(shí)際上就是按照這樣的趨勢在進(jìn)行發(fā)展演進(jìn)的。

IIoT要求MCU更高的運算能力和安全性

　　工業(yè)自動(dòng)化應用由來(lái)已久。隨著(zhù)微控制器、無(wú)線(xiàn)連接、大數據和人工智能技術(shù)的發(fā)展，這些自動(dòng)化生產(chǎn)、檢測、運輸設備開(kāi)始具備更多的感知能力(包括圖像識別和各種目標數據)、更強的處理能力和更靈活的網(wǎng)絡(luò )連接能力，使得工業(yè)4.0和工業(yè)機器人等應用得到極大的發(fā)展和演化。

　　就這些應用及其發(fā)展趨勢看，其核心部件MCU需要具備更強的數據采集和處理能力、更高的安全性和可靠性、強大而靈活的無(wú)線(xiàn)連接能力以及能自適應的靈活設計能力。這些設備除了接受和處理傳統的環(huán)境參數和運行過(guò)程中的各種模擬和數字信息外，更要處理圖像、視頻和音頻數據，因而強大的運算能力必不可少。隨著(zhù)數據量的增加，傳統的窄帶寬無(wú)線(xiàn)連接也開(kāi)始需要結合更高吞吐率的無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)連接一起應用。另外，數據的加密、系統的安全可靠性也對工業(yè)設備至關(guān)重要。

　　Cypress針對IoT的PSoC 6 MCU系列

　　Cypress最新推出的PSoC 6 MCU系列是專(zhuān)門(mén)為IoT應用打造的微控制器系列產(chǎn)品。它基于高度創(chuàng )新的MCU開(kāi)發(fā)平臺，具有高性能雙核架構和全面的硬件加密技術(shù)。同時(shí)，PSoC 6 MCU繼承了PSoC系列的高度靈活性，可以為不同的IoT應用提供各種數據采集、數據處理、控制、無(wú)線(xiàn)連接以及傳輸功能。結合Cypress免費的IDE工具PSoC Creator和軟件開(kāi)發(fā)套件PDL，用戶(hù)能夠在PSoC 6這樣一個(gè)復雜而功能強大的MCU系統上實(shí)現快速和輕松的開(kāi)發(fā)。PSoC 6 MCU是一個(gè)完整的針對物聯(lián)網(wǎng)應用的微控制器系列，包括入門(mén)級PSoC 60、可編程系列PSoC 61、高性能系列PSoC 62、無(wú)線(xiàn)連接系列PSoC 63以及電機控制系列PSoC 65。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，PSoC 6 MCU結合本公司高性能無(wú)線(xiàn)連接方案(Wi-Fi、BT和Combo)和有線(xiàn)連接方案(USB-C)以及強大而成熟的電機控制軟件方案，已成為備受關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)MCU解決方案。

MCU助傳統硬件升級為智能硬件

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將會(huì )是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要推動(dòng)力之一，也會(huì )是物聯(lián)網(wǎng)最先落地的應用之一。STM32在原有的工業(yè)市場(chǎng)有很好的基礎，在其上發(fā)展加入更多的聯(lián)接與云端的服務(wù)具有很大的市場(chǎng)成長(cháng)空間

　　在相應的嵌入式系統中，MCU可以說(shuō)是一個(gè)智能的控制單元或者是控制中樞。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高度碎片化的特性市場(chǎng)，分布在各個(gè)節點(diǎn)的MCU使得各個(gè)節點(diǎn)更為智能，配合不同的傳感器和互聯(lián)協(xié)議，把傳統的硬件升級為智能硬件。

　　STM32繼續強化物聯(lián)網(wǎng)安全

　　STM32作為意法半導體(ST)重要的MCU產(chǎn)品系列，其擁有廣闊的產(chǎn)品目錄、品質(zhì)、靈活性，豐富的生態(tài)系統，原廠(chǎng)資源+合作伙伴。同時(shí)致力于IoT嵌入式智能硬件市場(chǎng)成長(cháng)，特別關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)安全。ST在安全領(lǐng)域有著(zhù)多年積累和沉淀。STM32提供強大生態(tài)系統包含安全模塊，經(jīng)過(guò)CAVP FIPS認證的STM32密碼算法庫和安全固件安裝/升級方案。同時(shí)ST還提供種類(lèi)豐富的安全產(chǎn)品選擇內置安全功能的微控制器和Secure Element 作為輔助芯片(經(jīng)過(guò)CC認證)。

IIoT系統要求多協(xié)議、多架構間的互操作性

　　工業(yè)4.0利用廣泛的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)技術(shù)來(lái)實(shí)現智能工廠(chǎng)。IIoT利用無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、傳感器數據、機器對機器(M2M)通信、機器學(xué)習和基于云的分析來(lái)實(shí)現制造過(guò)程的自動(dòng)化。IIoT背后的理念是智能機器在采集和傳輸數據時(shí)比人類(lèi)更快速、更準確和更一致。IIoT在質(zhì)量控制改進(jìn)、可持續、綠色實(shí)踐以及整個(gè)供應鏈效率方面擁有巨大潛力?？紤]到IIoT系統和網(wǎng)絡(luò )的復雜性，使用不同協(xié)議和架構的設備和機器之間的互操作性是IIoT系統開(kāi)發(fā)人員所主要顧慮的問(wèn)題。像工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(Industrial Internet Consortium ，IIC)這樣的標準組織正在通過(guò)推動(dòng)開(kāi)放的互操作性和通用架構的開(kāi)發(fā)來(lái)解決這些問(wèn)題。

　　應用于IIoT的Wireless Gecko SoC平臺

　　Silicon Labs的Wireless Gecko SoC為IIoT應用提供了大量的連接選擇，包括能夠在2.4GHz和Sub-GHz頻率上運行Thread、zigbee、Bluetooth Low Energy、Bluetooth Mesh和許多專(zhuān)有協(xié)議，所有這些功能都可以在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC器件上實(shí)現。這些SoC也支持多協(xié)議運行，允許一臺聯(lián)網(wǎng)設備在運行時(shí)于不同協(xié)議之間的動(dòng)態(tài)切換，從而給予應用開(kāi)發(fā)人員極大的自由度去設計具有良好互操作性和連接性的設備。

物聯(lián)網(wǎng)邊緣處理需要安全的MCU

　　東芝半導體認為物聯(lián)網(wǎng)中負責邊緣處理的設備中(例如傳感數據處理)肯定需要用到MCU，而東芝的MCU能有效地在傳感技術(shù)中應用。某種程度上來(lái)說(shuō)對智能系統架構而言，首先考慮搭載MCU的系統并加上傳感技術(shù)和連接技術(shù)。因此，為了能確保包括邊緣處理的MCU本身安全性和通信系統安全性，東芝認為產(chǎn)品和軟件的嵌入式軟件技術(shù)是必要的。為了支持物聯(lián)網(wǎng)中負責邊緣處理的設備產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的快速啟動(dòng)，東芝正在推進(jìn)Arm mbed相關(guān)的工作，同時(shí)將來(lái)會(huì )提供面向物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的方案。

新的處理器要兼顧人工智能等應用

　　物聯(lián)網(wǎng)設備現在也開(kāi)始支持AI功能，例如智能音箱等。實(shí)際上，AI是非常熱的一個(gè)話(huà)題和應用。近日，NXP宣布“跨界處理器”i.MX RT上市，基于A(yíng)RM Cortex-M7內核，號稱(chēng)樹(shù)立微控制器(MCU)實(shí)時(shí)性能的高水準，達到3020 CoreMark得分和1284DMIPS，并可在600 MHz時(shí)提供20納秒的中斷延遲。當然，這款處理器也考慮到了人工智能(AI)等應用。

　　NXP在定義和設計i.MX RT時(shí)就有考慮這方面的考慮。例如AI需要強大的數據處理的速度和性能，因此，NXP把Cortex-M7提高到600MHz性能，這樣能保證足夠高性能的處理。另外，片內大容量的內存也支持AI所需要的各種算法和數據處理。再有，做AI不可或缺的是人機界面(HMI)，需要有攝像頭、顯示屏、觸摸屏的控制等，那么這款新處理器把這些接口都在片內集成。對于A(yíng)I，還有一個(gè)非常重要的處理性能就是對于運動(dòng)的控制，也稱(chēng)馬達控制，i.MX RT同樣集成了非常強大和豐富的馬達控制外設，包括多通道的Flex PWM，同時(shí)也有正交編碼的接口和高精度的ADC，這樣就保證了能夠實(shí)現高精度、多馬達的運動(dòng)控制。

人工智能在安防領(lǐng)域潛力巨大

　　人工智能和深度學(xué)習在安防領(lǐng)域用途廣大，例如小區要識別進(jìn)出的人哪些是住戶(hù)、快遞員，進(jìn)行車(chē)牌識別等，且需要低功耗設備。因此專(zhuān)用的AI和深度學(xué)習處理模塊十分重要。

　　今天安防是AI的一個(gè)重要應用領(lǐng)域。有人認為安防行業(yè)不好做，因為前有華為?？?，后端也有幾家大廠(chǎng)商壟斷，還有商湯、地平線(xiàn)等算法公司,但安防目前還有很大潛力可挖，因為場(chǎng)景化很重要，安防可能針對城市、小區、樓宇等，因此算法也不盡相同，需要不同的研發(fā)方向。

　　因此，安防領(lǐng)域的AI需要ASIC/SoC、模塊、軟件、系統以及像?？?、華為等的全產(chǎn)品解決方案。

面向安防的多場(chǎng)景智能服務(wù)方案

　　隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)轉型，安防多個(gè)領(lǐng)域都對智能化的解決方案提出迫切需求，而人工智能成為了契合需求的重要技術(shù)方式。 安防領(lǐng)域有兩大瓶頸：1.GPU價(jià)格較高;2.一些地方盡管有了高清攝像頭，但由于網(wǎng)絡(luò )傳輸帶寬不夠，因此高清視頻無(wú)法有效回傳到服務(wù)器，迫切需要在端/邊緣就解決視頻分析功能。促使深鑒在此研發(fā)。

　　目前深鑒先后突破了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )壓縮、海量數據特征提取、視頻結構化等方面的相關(guān)難點(diǎn)。近日公布的視頻結構化解決方案、人臉?lè )治鼋鉀Q方案、人臉檢測識別模組、ARISTOTLE架構平臺四款解決方案正是將算法級模型壓縮、軟件級工具鏈和處理器級體系結構等技術(shù)，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)與硬件設計落地轉化為實(shí)際產(chǎn)品。集成基于深度學(xué)習的智能算法，實(shí)現前后端多路人臉、車(chē)輛檢測與識別，實(shí)時(shí)提取視頻結構化信息等產(chǎn)品功能。應對多種場(chǎng)景下的應用需求，加速安防產(chǎn)業(yè)升級換代。

　　而產(chǎn)品DNNDK? (Deep Neural Network Development Kit)則是深鑒科技面向AI異構計算平臺DPU(Deep-Learning Processor Unit，深度學(xué)習專(zhuān)用處理器)自主研發(fā)的國內首款原創(chuàng )深度學(xué)習開(kāi)發(fā)SDK。DNNDK能極大降低DPU平臺深度學(xué)習應用開(kāi)發(fā)門(mén)檻和部署難度，并大大縮短算法部署到硬件的周期，提速AI產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第20頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。