昆仑传感器 慧虹昆仑系列IoT传感器-中台能力硬件基础

慧虹昆仑系列IoT传感器-中台能力硬件基础

　　近年来，物联网（IoT，Internet of Things）技术不断发展，各类IoT产品和解决方案层出不穷，涵盖了智慧工厂、智慧市政、智慧交通、智慧物流等新兴市场的智能化建设，在交通基础设施管理、市政设施管理、工业互联网等领域尤为典型。而在物联网生态系统中，感知是必不可少的能力。能够提供这项能力的设备主要包括各式各样的传感器和采集仪。

　　源清慧虹专注于工业物联网技术，服务于航空、高铁、交通、电力等多个行业。公司拥有嵌入式计算机、无线传感网、通用控制器、智能功率控制器、分布式总线网络等核心技术和产品，拥有完整的协议、芯片设计能力，嵌入式控制系统设计工具、方法和服务能力，能够提供从硬件到SaaS的整体解决方案。

源清慧虹物联网技术栈

　　源清慧虹致力于打造工业互联网核心能力，在多年的业务积累中打造了以数据中台为代表的一组企业级能力的合集，包括了基于软总线、模块化的硬件研发能力，和以数据中台、业务中台、算法平台、可视化平台为核心的云服务建设能力。

慧虹昆仑IoT传感器

　　慧虹昆仑系列IoT传感器，为源清慧虹构建了一整套感知设备研发平台，体现了源清慧虹在结构监测、设备健康管理等典型应用领域中的硬件核心研发设计能力。

　　感知设备研发平台主要包括硬件设备研发的模块化库和软总线模块协调能力，以及低功耗、时间同步、OTA空中升级等一系列技术特点。在传感应用开发过程中，可通过模块化、软总线快速构建出稳固、可靠的传感设备硬件，并通过OTA技术不断更新、优化传感设备内部的程序、算法，使得研发出的传感设备高度契合应用场景，并具备软件层面迭代、优化、升级的可能。

1．模块化

　　我们在生活中，能接触到的模块化最简单的例子就是组装台式机，一个台式机具有一系列标准的PCIe等接口，可以配置各种组件。比如玩高性能的游戏，可以换上更好的显卡；从事影音工作，可以加装专业声卡，内存的扩容也变得简单。这一切正是由于模块化设计，使我们在不需要为了更改一个配置而另买一台电脑。

　　模块化设计指的是把一个系统中的各个部分视为独立的子系统（模块）分别设计，再通过事先定义好的界面（接口）组合在一起。这样可以带来很高的可扩展性，通过事先严格定义模块与模块之间的界面，使得每个模块可以单独设计、更新，而标准化的界面降低了研发和生产成本。

科普小窗格：　　国际上最早研究的软件总线框架是STARS双生命周期模型，随后：A. Fred等提出了 3 个生命周期软件工程模型；D. Dikel等提出了双生命周期的改进模型；Mike Stark等提出了软件生产线开发过程模型等。自2000年以来，软件总线概念在众多行业的各种异构系统平台中被广泛研究和应用，但在嵌入式硬件特别是传感器研发中使用不多。

2． 软总线

　　软件总线思想是基于计算机硬件总线体系结构的思想提出的，通过定义一个标准的接口，只要软件模块的接口符合总线标准，无论其内部私有属性如何，都能在总线上即插即用，并与其他模块很好地协同工作。

　　软件总线可有效地解决分布式系统开发时所面临的跨平台、跨环境、跨协议、跨版本等一系列问题，方便、可靠、快速地实现分布式异构环境下不同软件模块间的通信和协同工作。

3．OTA

　　空中升级（Over The Air upgrade，简称OTA）主要用于为智能硬件的软件部分进行远程升级，开发者只需将软件升级包在“云端开发控制台－产品管理－某设备管理－OTA“中进行上传、并设定升级规则，云端即可自动执行具体的OTA操作。

　　源清慧虹OTA功能提供了三种升级流程供用户选用：设备静默升级、用户确认升级、强制用户升级。OTA功能除了支持对全部设备进行升级操作外，还支持定向升级，即仅对指定的部分目标设备进行升级，定向升级支持指定目标软件版本、指定目标渠道（需设备能够上报该信息）、指定目标设备批次（需设备能够上报该信息）、指定设备ID、指定设备所在地域等来筛选。此外，还支持对OTA版本进行管理。

　　OTA空中升级可在硬件产品后期，即部署安装后，提供灵活的面向功能与性能的远程升级手段。多元化的通信方式，统一的升级接口与策略，为用户提供稳定可靠的OTA方案。

　　在传统的监测场景下，模块化和软总线设计可以大大简化生产、测试的工作流程，提高成品率。在面临海量新业务需求时，慧虹昆仑IoT硬件中台能力可以帮助客户快速实现基于硬件模块化、软件总线的感知设备研发，能够最大限度地利用已有的感知设备模组、构件，兼容不同的通信协议、供电形式、监测对象，最快地构建出一个集成式传感器，或一整套适用于目标场景的感知解决方案。

慧虹昆仑IoT传感器技术架构

　　结合应用场景，源清慧虹将感知设备按三个维度进行模块化设计，分别是：监测量、供电方式、通信协议。在收到感知设备研发需求时，可以快速调取模块化库的资源构建所需的硬件平台。

　　基本的软件总线结构模型如图所示：模型中，工作的基本单元是面向服务的功能模块，或一个具有特定功能的完备系统。功能模块一般是由软件总线构件库中一个或多个构件复合而成，构件间通过接口定义的规则进行通信，插件与总线上的其它部件协调、通信则由软件总线统一代理，降低了插件之间的相互依赖。

　　结合各种IoT应用场景的特点，典型的包括以下软总线构件：管理组件、PSM低功耗、测试组件、自测试组件、操作系统、解析组件、动态加载组件、OTA空中升级组件、硬件板级支持组件、消息接口组件等。

改善后的硬件研发流程：

　　把模块化、软件总线和OTA技术，应用到具体的感知设备研发领域，可以在整个框架内直接或间接地从已存在产品、系统中提取大量可重用的构件，使得每一次开发过程，都为以后的系统提供可以复用的资源，使开发的效率提高, 也使得硬件模组、嵌入式软件的稳定性、可维护性得到持续增强，形成一种良性循环。

　　这种开发方式对传统的感知设备研发流程的改善如下图所示：

　　以某型号具备低功耗、前端智能特性，用于诊断设备故障的智能测距传感器研制过程为例：

　　1.通过位移传感模组、传输模组、电源模块等几个基本模块，快速构建出智能测距传感器基础硬件平台，内置基本的程序和算法，配置初始触发条件，快速投入应用。

　　2.在应用过程中，通过采集的数据，在云端短时间内快速迭代分析模型，提取并锁定智能测距传感器关键特征数据。

　　3.通过OTA技术对内置程序的算法、模型进行优化升级，对触发条件进行优化，提高智能测距传感器识别状态、故障的准确率。

　　通过传感应用平台化开发，使得源清慧虹具备智能传感器等硬件设备快速研发、快速迭代的能力，有效优化研发过程，提高交付速度、降低研发成本。

慧虹昆仑传感器技术优势

　　对源清慧虹而言，不需要过多地更改已有设备的底层设计，也可以适应目标场景的应用需求。可以通过模块的调整、增减，来对某个单一设备进行不同功能的拓展，各个功能模块相当于一个即插即用的组件。这种形式不仅可以兼容各种不同的设备协议，使IoT应用更加灵活，而且能够使系统具备更好的扩展性。

　　硬件模块化和软件总线使得感知设备也具有更强的开放性，OTA技术赋能感知设备可以随算法的更新迭代，不断优化其前端智能特性。内部的嵌入式软件也可以根据需求部分更新或全部升级，结合云端设备管理平台实现更好的版本管理。为各种IoT应用的数据采集、价值挖掘以及各种上层应用业务提供了强有力的支持。

1．模块数量大幅减少

　　高度独立的模块数量将极大减少，取而代之的是一系列不同规格的子模块。但不同规格的子模块，可以自由组合成成百上千种产品。这些产品依然是标准产品。

2．研发周期短、交付速度快

　　以往感知设备的研发，从确定需求到实现交付，一般都需要数个月，采用模块化设计以后，可控制在1个月甚至两周内完成交付。

3． 满足不同场景需求

　　采用模块化设计，通信协议、功能、供电等具备很好通用性，根据需求选择不同的子模块，能很好地满足不同行业用户需求。

4．研发与生产成本大幅降低

　　由于开发的子模块之间，具有很好的通用性，所以组合形成的产品，相比以往单独式的产品，不仅能大幅降低研发成本和生产成本，还方便后期维护、供货。

5．产品质量得到更全面的保障

　　与需要同时管理数十、上百种独立产品相比，采用模块化设计之后的产品品质保证能力大幅提升。

6．快速定型，在线干预，迭代算法

OTA让硬件产品具有很强的在线可干预能力，极大地缩短硬件产品的发布周期。边交付，边迭代，边升级，边验证达到用户、产品、质量、服务共赢的效果。

慧虹昆仑传感器的典型应用场景

　　对源清慧虹而言，不需要过多地更改已有设备的底层设计，也可以适应目标场景的应用需求。可以通过模块的调整、增减，来对某个单一设备进行不同功能的拓展，各个功能模块相当于一个即插即用的组件。这种形式不仅可以兼容各种不同的设备协议，使IoT应用更加灵活，而且能够使系统具备更好的扩展性。

1．工业互联网基础数据采集

　　各种工业场景复杂多变，常见的传感器包括用于故障诊断的振动、压力传感器，用于工业控制的流量、流速、转速传感器，涉及环境监测的温度、湿度传感器，涉及安全生产的火灾、烟感传感器。受限于应用环境下各种电磁干扰、工作温度等条件，对供电、通信协议也有不同的限制。而近年来随着智慧工厂、工业4.0等技术革命的不断深化，对感知设备的研发、升级迭代也提出了极高的要求。

2．复杂场景下基础设施健康管理项目

　　基础设施涵盖的范围十分庞大，常见的包括交通领域的桥梁、隧道、边坡、路面，市政的楼宇、场馆、车站，水利水电的大坝、库区等。其场景分布广泛，既有不同地域的极寒、酷暑、腐蚀、光照等环境限制，也存在通信网络覆盖限制、供电不便等组网限制。随着人民对交通出行、生产生活的安全保障诉求不断提升，对基础设施状态感知能力的要求也越来越高。

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文 |薛璐遥 责编 | 吕东兴 总编| 唐迪

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