作者：Barry Manz

對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）而言，基于云的數(shù)據(jù)中心是相當(dāng)重要的資源，能夠提供可擴(kuò)展的大容量存儲(chǔ)、處理、分析、安全問(wèn)題定期修復(fù)以及持續(xù)的功能更新。不過(guò)，依賴(lài)云服務(wù)來(lái)完成所有工作也存在一些缺點(diǎn)。例如，對(duì)于過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制等任務(wù)關(guān)鍵型功能而言，云與邊緣之間的延時(shí)過(guò)長(zhǎng)。此外，數(shù)據(jù)可能會(huì)遭到黑客入侵，而大量數(shù)據(jù)傳輸可能很快就會(huì)給通信資源帶來(lái)壓力。解決這些問(wèn)題的方法則是盡量在邊緣執(zhí)行處理和分析。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣處理方面，基于單板機(jī) （SBC） 的計(jì)算平臺(tái)為設(shè)計(jì)人員提供了越來(lái)越多受到良好支持的高性價(jià)比解決方案。針對(duì)這一新市場(chǎng)，嵌入式系統(tǒng)制造商推出的64 位處理器 SBC 具有高速存儲(chǔ)器，支持固態(tài)大容量存儲(chǔ)和多種操作系統(tǒng)，安全級(jí)別較高，具有數(shù)十個(gè) GPIO 引腳及許多其他功能。

本文探討了邊緣應(yīng)用對(duì) SBC 的需求，以及用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部邊緣計(jì)算時(shí)選型和集成方面的注意事項(xiàng)。此外，本文還以 Advantech、Digi、UDOO 和VersaLogic 推出的 SBC 以及 Raspberry Pi 為例，闡示了設(shè)計(jì)人員如何能將其應(yīng)用于針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣環(huán)境而定制的計(jì)算解決方案。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為何要使用 SBC

對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員而言，SBC 的顯著優(yōu)勢(shì)在于整個(gè)平臺(tái)的配置非常靈活，能夠只選擇當(dāng)前需要的功能，同時(shí)又具有可擴(kuò)展性——不像某些特別設(shè)計(jì)制造的PC那樣，需要報(bào)廢整個(gè)平臺(tái)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，鑒于從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員能夠積累很多知識(shí)，而將來(lái)需要擴(kuò)展計(jì)算資源時(shí)，這些知識(shí)正是必不可少的。

與其設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)用一樣，SBC 種類(lèi)繁多。例如，國(guó)防和航空航天系統(tǒng)常用的 SBC 采用 3U 和 6U 尺寸，通?；?Open VPX標(biāo)準(zhǔn)。主機(jī)處理器往往采用高端 Intel 處理器，具有 Xilinx 的 Virtex 系列 FPGA 或用作硬件加速器的圖形處理單元 （GPU）、12 位和16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），以及大容量 DDR4 內(nèi)存。此外，背板由第 4 代 PCIe 的多條通道和 RapidIO 和PCIe 等交換結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)然，這些功能也代價(jià)不菲。

另一方面，受益于 Raspberry Pi、Arduino 及其他平臺(tái)的廣泛普及，DIY 或“創(chuàng)客”SBC
在全球范圍內(nèi)的銷(xiāo)量達(dá)數(shù)百萬(wàn)。雖然價(jià)格便宜很多，但這些 SBC也能連接一組傳感器，執(zhí)行適度的處理，然后將結(jié)果發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)或邊緣計(jì)算機(jī)，后者則是基于一個(gè)或多個(gè)功能強(qiáng)大的SBC。這顯然會(huì)增加系統(tǒng)的物料清單，不過(guò)也算得上合情合理，畢竟它提高了邊緣傳感器設(shè)備集群的智能性，促使在邊緣和本地能使用邊緣計(jì)算機(jī)執(zhí)行某些決策。

介于國(guó)防/航空航天應(yīng)用與 DIY 之間的是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的 SBC。雖然也可能支持 Raspberry Pi 和
Arduino，但它們必須具備卓越的性能和耐用的環(huán)境特性，因而主機(jī)處理器采用 Arm? Cortex? 系列或中端 Intel Core 系列。這類(lèi) SBC的板尺寸不到 6 in.2，性能卻堪比中端筆記本電腦，可以配備 DDR3 或 DDR4 內(nèi)存，也可由設(shè)計(jì)人員自行選擇存儲(chǔ)器。

其他標(biāo)準(zhǔn)功能包括支持 SPI 和 SPX、千兆位以太網(wǎng)、低壓差分信號(hào) （LVDS） 和 PCIe、可信平臺(tái)模塊 （TPM）等多種類(lèi)型的安全功能、音頻和視頻輸入和輸出、8 至 12 個(gè) USB 端口，并且支持兩通道和四通道 SATA 3.0存儲(chǔ)。典型配件包括各種類(lèi)型的安裝五金件、冷卻器和電纜。許多 SBC 還支持子卡以擴(kuò)展母板未包含的通信標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)情況下支持 4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此外，這些 SBC的制造商還提供了大量技術(shù)資源，例如開(kāi)發(fā)板和原型開(kāi)發(fā)套件。

一個(gè)基于 Intel 的 SBC 典型示例是 Advantech 的 AIMB-581WG2-00A1E（圖 1）。這款 9.6 in.2 板采用
Intel Xeon E3-1275 和 Core i7-2600 處理器，最大支持 32 GB 的 DDR3 內(nèi)存。另一個(gè)示例是 UDOO 的
SC40-2000-0000-C0-V，這款 4.72 in.2 板基于 AMD 四核 2 GHz 的 Ryzen 嵌入式 V1605B CPU，搭載 AMD的 8 GPU Radeon Vega 8 圖形加速器，最大支持 32 GB 的 DDR4-2400 內(nèi)存和各種大容量存儲(chǔ)選項(xiàng)。

不同于許多其他工業(yè) SBC，VersaLogic 的 Liger VL-EPM-43SCP-08 使用 Windows 操作系統(tǒng)和 Linux（圖2）。該板采用 PC/104-Plus 4.2 x 3.7 in. 尺寸，可通過(guò)堆疊板增加功能。而與以前的 PC/104 版本不同的是，它支持 PCI 總線和ISA。VL-EPM-43SCP-08 基于 2.8 GHz 的 Intel Core i7-7600U CPU，配備 8 GB 的 DDR3 內(nèi)存（可擴(kuò)展至16 GB）和 SATA 3.0 大容量存儲(chǔ)。其他接口包括：microSD 插槽、I2C 接口；RS-232、RS-422 和 RS-435（可選）；兩個(gè)mini DisplayPort、一個(gè) HDMI 輸出，顯示分辨率高達(dá) 4096 x 2304。另外，該板還符合 MIL-STD-202G抗振和抗沖擊要求。

Digi 則另辟蹊徑，使用 ConnectCore 6 系統(tǒng)級(jí)模塊。該模塊基于 NXP Semiconductors 的 i.MX6UL-2
處理器系列，并在單個(gè)器件中集成了應(yīng)用處理器和 Arm Cortex-A7 內(nèi)核（圖 3）。

ConnectCore 6 SIM 的 CC-SB-WMX-J97C 版本尺寸為 4.7 in.2，提供藍(lán)牙 4 和 Wi-Fi、該公司的 Digi
XBee 無(wú)線電（基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)）、蜂窩連接（可選）以及千兆位以太網(wǎng)，支持多種顯示器，配有攝像頭和擴(kuò)展連接器（圖 4）。

SBC 選型注意事項(xiàng)

對(duì)于現(xiàn)有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程的第一步就是評(píng)估公司當(dāng)前在邊緣應(yīng)用方面的需求，將來(lái)又可能會(huì)增長(zhǎng)多少。后者更多的是一種假設(shè)，而不是事實(shí)陳述，因?yàn)槲覀儾豢赡軠?zhǔn)確地預(yù)測(cè)什么時(shí)候會(huì)需要用到這些資源。而經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)施了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的公司最初大多都低估了需求，因此最好的應(yīng)對(duì)方法是假設(shè)需求會(huì)隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。

下一步則是確定所需的基本資源，包括有線和無(wú)線連接、支持的大容量存儲(chǔ)，以及驅(qū)動(dòng)顯示器、音頻和視頻、面板照明、揚(yáng)聲器所需的輸入和輸出及其他項(xiàng)目。這些往往都不難，因?yàn)榫邆涔I(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需性能的
SBC 一般都具有所有這些功能。

另一個(gè)需要考慮的因素是能否通過(guò)擴(kuò)展板為 SBC 增加功能。例如，雖然 SBC 大多都集成了 Wi-Fi 和藍(lán)牙收發(fā)器，但是許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用Zigbee 和其他可能的短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，以及 LoRaWAN、Sigfox 或無(wú)線運(yùn)營(yíng)商提供的窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT） 等低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN）技術(shù)。

在軟件方面，有多種操作系統(tǒng)可供選擇，其中大多數(shù)基于 Raspberry Pi 的官方 Raspbian 或各種版本的 Linux。Arduino的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （IDE） 支持 Windows、macOS 和 Linux。Windows 10 常被排除在外，主要是因?yàn)樗c Raspberry Pi不兼容，而直到最近，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用才開(kāi)始漸漸對(duì)這一操作系統(tǒng)感興趣。

最后，設(shè)計(jì)人員必須考慮系統(tǒng)安裝所在地的環(huán)境條件，可能需要加固外殼，又或是需要防水、防污、抗振和抗沖擊。

轉(zhuǎn)向 SBC 集群

這些 SBC雖很有用，但如果設(shè)計(jì)人員只能使用單一電路板，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能畢竟有限。不過(guò)，隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，也可以擴(kuò)展電路板。為了創(chuàng)建微型超級(jí)計(jì)算機(jī)，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory） 和 NASA 及其他機(jī)構(gòu)就已建立了 SBC 集群。但是，SBC集群也不會(huì)超出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)人員的能力范圍，40 個(gè)節(jié)點(diǎn)的 Raspberry Pi 3 Model B 集群就是例證（圖 5）。該 40 節(jié)點(diǎn)集群基于 40塊 Raspberry Pi 3 Model B，具有 20 GB 內(nèi)存，最大支持 12 TB 大容量存儲(chǔ)，而尺寸僅為 9.9 x 15.5 x 21.8 in。

此類(lèi)系統(tǒng)展示了如何基于 Raspberry Pi 及其他架構(gòu)構(gòu)建功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展的 SBC集群以用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員應(yīng)當(dāng)引起注意。對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用，Raspberry Pi Model 3B+可以提供一個(gè)很好的起點(diǎn)。相比傳統(tǒng)集群，SBC 集群體積更小、成本更低、功耗更低，因此非常適合邊緣應(yīng)用的有限空間。

事實(shí)證明，有多種方法可以在受限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的性能。例如，Pi Stack 技術(shù)將直流電源從單點(diǎn)引入集群，再將電能分配到整個(gè)集群（圖 6）。這樣能減少布線，從而在給定尺寸的空間內(nèi)安裝更多Raspberry Pi 板。節(jié)點(diǎn)間的通信可通過(guò) SBC 配備的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于 SBC 集群，最引人矚目的一點(diǎn)在于它能以低成本使用現(xiàn)成的SBC、電源和各種外設(shè)來(lái)提供極高的性能。對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算而言，這一概念方才剛剛引入，卻值得仔細(xì)考量。

總結(jié)

針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 SBC逐漸增多，為需要構(gòu)建邊緣計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)人員提供了許多極具吸引力的解決方案。只需輔以電源、外殼及一些外設(shè)，就能定制出可擴(kuò)展的高性價(jià)比解決方案，以超小的尺寸滿足各種操作環(huán)境的需求。