使用單板機構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算平臺

作者：Barry Manz

對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）而言，基于云的數(shù)據(jù)中心是相當重要的資源，能夠提供可擴展的大容量存儲、處理、分析、安全問題定期修復(fù)以及持續(xù)的功能更新。不過，依賴云服務(wù)來完成所有工作也存在一些缺點。例如，對于過程控制和運動控制等任務(wù)關(guān)鍵型功能而言，云與邊緣之間的延時過長。此外，數(shù)據(jù)可能會遭到黑客入侵，而大量數(shù)據(jù)傳輸可能很快就會給通信資源帶來壓力。解決這些問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 （SBC） 的計算平臺為設(shè)計人員提供了越來越多受到良好支持的高性價比解決方案。針對這一新市場，嵌入式系統(tǒng)制造商推出的64 位處理器 SBC 具有高速存儲器，支持固態(tài)大容量存儲和多種操作系統(tǒng)，安全級別較高，具有數(shù)十個 GPIO 引腳及許多其他功能。

本文探討了邊緣應(yīng)用對 SBC 的需求，以及用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部邊緣計算時選型和集成方面的注意事項。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)計人員如何能將其應(yīng)用于針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣環(huán)境而定制的計算解決方案。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為何要使用 SBC

對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員而言，SBC 的顯著優(yōu)勢在于整個平臺的配置非常靈活，能夠只選擇當前需要的功能，同時又具有可擴展性——不像某些特別設(shè)計制造的PC那樣，需要報廢整個平臺。另一個優(yōu)勢是，鑒于從頭開始設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計人員能夠積累很多知識，而將來需要擴展計算資源時，這些知識正是必不可少的。

與其設(shè)計目標應(yīng)用一樣，SBC 種類繁多。例如，國防和航空航天系統(tǒng)常用的 SBC 采用 3U 和 6U 尺寸，通?；?Open VPX標準。主機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。當然，這些功能也代價不菲。

另一方面，受益于 Raspberry Pi、Arduino 及其他平臺的廣泛普及，DIY 或“創(chuàng)客”SBC
在全球范圍內(nèi)的銷量達數(shù)百萬。雖然價格便宜很多，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)場或邊緣計算機，后者則是基于一個或多個功能強大的SBC。這顯然會增加系統(tǒng)的物料清單，不過也算得上合情合理，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算機執(zhí)行某些決策。

介于國防/航空航天應(yīng)用與 DIY 之間的是針對工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的 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，因而主機處理器采用 Arm? Cortex? 系列或中端 Intel Core 系列。這類 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)計人員自行選擇存儲器。

其他標準功能包括支持 SPI 和 SPX、千兆位以太網(wǎng)、低壓差分信號 （LVDS） 和 PCIe、可信平臺模塊 （TPM）等多種類型的安全功能、音頻和視頻輸入和輸出、8 至 12 個 USB 端口，并且支持兩通道和四通道 SATA 3.0存儲。典型配件包括各種類型的安裝五金件、冷卻器和電纜。許多 SBC 還支持子卡以擴展母板未包含的通信標準，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，例如開發(fā)板和原型開發(fā)套件。

一個基于 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選項。

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（可擴展至16 GB）和 SATA 3.0 大容量存儲。其他接口包括：microSD 插槽、I2C 接口；RS-232、RS-422 和 RS-435（可選）；兩個mini DisplayPort、一個 HDMI 輸出，顯示分辨率高達 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)級模塊。該模塊基于 NXP Semiconductors 的 i.MX6UL-2
處理器系列，并在單個器件中集成了應(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，提供藍牙 4 和 Wi-Fi、該公司的 Digi
XBee 無線電（基于 IEEE 802.15.4 標準）、蜂窩連接（可選）以及千兆位以太網(wǎng)，支持多種顯示器，配有攝像頭和擴展連接器（圖 4）。

SBC 選型注意事項

對于現(xiàn)有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計過程的第一步就是評估公司當前在邊緣應(yīng)用方面的需求，將來又可能會增長多少。后者更多的是一種假設(shè)，而不是事實陳述，因為我們不可能準確地預(yù)測什么時候會需要用到這些資源。而經(jīng)驗表明，實施了工業(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)對方法是假設(shè)需求會隨著時間的推移而增長。

下一步則是確定所需的基本資源，包括有線和無線連接、支持的大容量存儲，以及驅(qū)動顯示器、音頻和視頻、面板照明、揚聲器所需的輸入和輸出及其他項目。這些往往都不難，因為具備工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需性能的
SBC 一般都具有所有這些功能。

另一個需要考慮的因素是能否通過擴展板為 SBC 增加功能。例如，雖然 SBC 大多都集成了 Wi-Fi 和藍牙收發(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線標準，以及 LoRaWAN、Sigfox 或無線運營商提供的窄帶物聯(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的集成開發(fā)環(huán)境 （IDE） 支持 Windows、macOS 和 Linux。Windows 10 常被排除在外，主要是因為它與 Raspberry Pi不兼容，而直到最近，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用才開始漸漸對這一操作系統(tǒng)感興趣。

最后，設(shè)計人員必須考慮系統(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，隨著應(yīng)用規(guī)模的擴大，也可以擴展電路板。為了創(chuàng)建微型超級計算機，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory） 和 NASA 及其他機構(gòu)就已建立了 SBC 集群。但是，SBC集群也不會超出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計人員的能力范圍，40 個節(jié)點的 Raspberry Pi 3 Model B 集群就是例證（圖 5）。該 40 節(jié)點集群基于 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，而尺寸僅為 9.9 x 15.5 x 21.8 in。

此類系統(tǒng)展示了如何基于 Raspberry Pi 及其他架構(gòu)構(gòu)建功能強大、可擴展的 SBC集群以用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員應(yīng)當引起注意。對于這類應(yīng)用，Raspberry Pi Model 3B+可以提供一個很好的起點。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。

事實證明，有多種方法可以在受限的空間內(nèi)實現(xiàn)較高的性能。例如，Pi Stack 技術(shù)將直流電源從單點引入集群，再將電能分配到整個集群（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)點間的通信可通過 SBC 配備的以太網(wǎng)接口實現(xiàn)。

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

總結(jié)

針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的 SBC逐漸增多，為需要構(gòu)建邊緣計算平臺的設(shè)計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)，就能定制出可擴展的高性價比解決方案，以超小的尺寸滿足各種操作環(huán)境的需求。