零配置平台实现无线感测与致动

目前为物联网环境建立、部署和配置应用，对很多使用者而言仍然是复杂和昂贵的。而MicroPnP平台解决了这种复杂问题，提供零配置和完全基于标准的解决方案，从根本上降低了大规模获得、建立和运行于无线感测和实现物联网系统的成本。

工业物联网(Industrial IoT)应用(如智能工厂或智能城市)需要大量配备各种传感器和致动器的无线嵌入式装置。人们常常期望这些装置在严苛的射频(RF)环境中长时间运作，同时周期性地撷取环境或工业过程数据。遗憾的是，当前世代的工业检测解决方案需要大量的开发、安装、整合和管理工作，以大规模部署坚固的物联网系统。

因此，大多数用户都在努力解决这种复杂性及其相关的成本问题，而结果却仍无法最大限度地提高投资报酬。为了显著降低工业物联网环境的总拥有成本，所需要的解决方案必须能够方便地整合第三方的外部感测装置与现有的应用，还要能够实现可靠、安全且超低功率的网络，以及收集和储存传感器数据的在线云端服务。

本文将以VersaSense公司提供的MicroPnP (Micro Plug-and-Play)平台为例(图1)，介绍符合标准的低功率“感测即服务”(Sensing-as-a-Service)解决方案如何实现感测与致动周边装置的即插即用式整合、跨不同地点每天24小时不间断且可扩展地监测与控制装置，并提供安全的端对端通讯。相较于传统的工业物联网解决方案，MicroPnP采用完全不同的方法消除了开发和管理复杂性，从而显著降低工业物联网系统的总拥有成本。

为周边装置实现真正的即插即用式整合可经由被动电子组件实现，这些组件形成了一种高效率机制，感测和辨识新的连接感测或随时间变化的致动周边装置。MicroPnP的软件堆栈为安全的装置运作、自动化空中下载(OTA)韧体更新和API(用于整合感测的周边装置数据与在线云端服务)提供了解决方案。最后，MicroPnP采用凌力尔特科技(Linear Technology)的SmartMesh IP，提供同类最佳的无线网格网络技术，甚至在严苛的RF环境中也能实现超过99.999%的网络可靠性，同时维持为期10年的电池寿命。

图 1：MicroPnP平台

MicroPnP是历经10年学术研究取得的成果，在IPSO联盟举办的年度全球性竞赛——2015年国际IPSO挑战赛获奖。为了打造下一代智能对象(Smart Object)，IPSO联盟积极推进开放协议和标准(例如因特网协议IP和有关的IETF协议)的使用。目前，MicroPnP正成功地用于世界各地的工业环境中，包括数据中心监视、精确的畜牧养殖以及石油和天然气产业的监测。

MicroPnP感测即服务平台

MicroPnP提供一个一致的硬件和软件工具套件，可自动检测和配置进入IoT的嵌入式感测周边装置，提供极致的无线网络可靠性和电池寿命。主要的差异之处包括：

零配置的即插即用式周边装置整合

MicroPnP能自动辨识所有的连网嵌入式感测和致动周边装置，并安装相应的设备驱动器软件。这种方法依靠低功率被动电子组件，辨识一种周边装置所消耗的功率较USB或FireWire等传统解决方案更低百万分之一。此外，这种方法的成本非常低，也十分灵活，可让任何现有IoT传感器或致动器立即被重新封装成MicroPnP周边装置。

自动进行软件安装和维护

一旦将一个周边组件插入MicroPnP装置，就会自动请求将所有对应的设备驱动器软件送到网络网关，随后再透过空中下载进行安装。从这时开始，该周边装置就可以全面发挥作用，并可用于为终端用户实现远程互动。为了进一步因应应用开发人员的需求，网络管理器会显示RESTful API，以便于查询所有的装置，并直接将传感器数据推送到云端。

极低功率的超可靠网格网络

在网络层级，MicroPnP与凌力尔特科技的SmartMesh IP嵌入式无线网格网络相互整合。SmartMesh IP是IEEE 802.15.4e时隙通道跳频(TSCH)模式的商用建置方案，提供了高性能和网格功能，并支持易用的IPv6。为了在面对RF干扰、多径衰减以及其他环境因素时能确保高度的数据可靠性，TSCH整合了基于预留的时分多址(TDMA)机制和通道跳频。透过连续监测网络状态，并针对每一个装置优化TSCH时间表，MicroPnP网络能以一对AA电池自主运作长达10年之久。

透过开放标准和协议避免厂商锁定

每个装置上的MicroPnP协议堆栈都完全符合IEEE、IETF和IPSO标准要求，因此非常容易与第三方解决方案整合。在链路层，SmartMesh IP采用IEEE 802.15.4e TSCH，同时，支持IPv6的传统IoT「上层协议堆栈」由IETF-6LoWPAN、UDP和CoAP组成。此外，每个MicroPnP周边装置都采用IPSO数据模型，以处理异质装置和第三方应用之间的互操作性问题。IPSO数据模型定义一个通用的对象模型(Object Model)，该对象模型由一个URL模板和一套标准化数据类型组成，使应用软件能够与装置进行有意义的互动，包括与其他装置中的软件互动。

轻松进行应用开发和整合

最后，一套软件工具库(以 JavaScript、Java和NodeJS形式提供)提供程序化存取MicroPnP网络，同时允许在终端用户应用和MicroPnP装置之间建立防NAT连接。由于这些工具库直接整合每个装置上的MicroPnP软件堆栈、网络网关和云端元素，所以有助于在几分钟内开发出完整的IoT系统。

实际应用模型

安装和操作一个MicroPnP装置网络的典型模型如下(图 2)：

图 2：MicroPnP模型

整合外部检测和致动装置

一旦插入感测或致动周边装置，MicroPnP应用电路板就会自动进行感测并获取其类型。然后再向云端操作的管理实体请求一个合适的驱动器软件。

周边装置驱动器软件的安装和网络整合

无论何时管理实体接收到驱动器软件安装请求，都会自动下载设备驱动器软件，并将其安装到发出请求的装置上。一旦安装完成，周边装置就可在网络中使用了。

按计划存取与管理

最后，可重用软件工具库大幅降低了开发成本。这些工具库在远程客户端和各个MicroPnP装置之间提供全局双向存取，并为IoT终端用户提供了一条简便但强大的快速开发应用之途。

导入商业应用

MicroPnP在2015年IPSO 挑战赛上获得第三名，该竞赛评估IoT应用和原型的创新性、广泛适用性、可销售性以及易用性。2015年12月在美国硅谷举行的Designers of Things大会上，10家准决赛入围公司向产业评审小组介绍其原型方案。

图3：进行能源管理以实现数据中心优化

除了IPSO挑战赛，MicroPnP也正部署于世界各地的各种感测环境中，包括家庭能源记录分析、数据中心优化(图3)、工业设施(图4)或甚至是农场(图5)环境。例如，在数据中心环境中，诸如温度、湿度与交流(AC)电源监控传感器等即插即用式传感器可提供环境中能源流动的详细信息，以及监测装置功耗，同时，即插即用式致动器还可自动控制装置。

图4：设施监控

除了能源管理应用，MicroPnP装置还可用于监控机器和工厂中有关的基础设施(图4)，侦测泄漏或机器异常行为并实时提供警报。在这种情况下，MicroPnP网格网络提供了极其可靠和可扩展的通讯媒介，可扩展至涵盖很大范围的工业设施，同时以一对电池就运作10年之久。

图5：精确掌握畜牧养殖

MicroPnP还可用于实现智慧化的精确畜牧养殖(图5)。即插即用式传感器和致动器几分钟就可安装完毕，实时提供有关动物所处环境条件的高分辨率数据，包括饲料消耗、水的使用、温度、湿度、空气质量和污染，从而提高了农场的效率。

结语

工业物联网应用预计将部署在动态变化的环境中，而且必须可靠地运作很长时间。然而，大多数用户都在努力解决现有IoT感测解决方案的复杂性和高成本等固有问题。本文以基于凌力尔特SmartMesh IP嵌入式无线网格网络的MicroPnP平台为例，介绍一种采用不同于现有解决方案的新途径，该平台结合了10年的学术研究成果以及先进的工业无线网络技术，实现了零配置。

为了大幅降低工业感测和控制系统的总拥有成本，MicroPnP支持零配置即插即用式感测和致动周边装置，可从云端进行管理，且易于与传统系统整合。此外，管理人员还能够实时查看网络运作和装置状态。它还兼具同类最佳的能源管理网络以及10年的电池寿命，能够保持业界要求超过99.999%以上的网络可靠性，以及强大的端对端安全性。