隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，我們看到人們對(duì)在工業(yè)領(lǐng)域使用分布式傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了濃厚的興趣。然而，許多工業(yè)應(yīng)用屬于通常所說(shuō)的“棕地”應(yīng)用，需要新的硬件/軟件解決方案與現(xiàn)有解決方案共存。此外，其中許多原位 解決方案可能已有 20 至 30 年的歷史。那么，您如何將新技術(shù)引入已經(jīng)存在的安裝基礎(chǔ)？

首先，我們需要了解當(dāng)前正在解決的問(wèn)題集的性質(zhì)。在工業(yè)領(lǐng)域，我們經(jīng)常談?wù)搶?duì)現(xiàn)有物理過(guò)程的在線監(jiān)控。這些范圍可以從監(jiān)測(cè)原油管道中內(nèi)容物的溫度到監(jiān)測(cè)離開(kāi)水處理設(shè)施時(shí)水中的氯含量。在工業(yè)領(lǐng)域，他們傾向于關(guān)注傳感器技術(shù)的安裝簡(jiǎn)單性和可靠性。在某些情況下，最先進(jìn)的技術(shù)可能沒(méi)有進(jìn)步太多；也就是說(shuō)，好的舊方法可能已經(jīng)足夠好了。在其他應(yīng)用中，技術(shù)可能會(huì)取得重大進(jìn)展，從而降低擁有成本并提高可靠性。

接下來(lái)，我們需要了解當(dāng)前傳感器系統(tǒng)所涉及的連接性。范圍從物理連接類型（例如，RS-232/422、RS-485、20-mA 電流回路、以太網(wǎng)等）到協(xié)議。其中一些協(xié)議可以基于使用同步串行通信，例如 HDLC、Bisync、DDCMP、X.25 等?；蛘咚麄兛赡苷谑褂闷渌I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如 Profibus、Modbus、EtherCAT、DeviceNet，甚至是自定義協(xié)議。

此外，許多工業(yè)應(yīng)用的本質(zhì)是它們必須在各種各樣的惡劣環(huán)境中生存，包括擴(kuò)展的溫度范圍、沖擊和振動(dòng)、高濕度、不可靠的電源和間歇性連接。典型的工業(yè)運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)特點(diǎn)是盡可能長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行設(shè)備，即使可能有“更好”的解決方案，通過(guò)使用已經(jīng)攤銷的設(shè)備直到它報(bào)廢來(lái)降低成本。工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中經(jīng)常遇到的進(jìn)一步復(fù)雜情況是，該解決方案可能是在 30 年前設(shè)計(jì)的，并且所有設(shè)計(jì)人員都已經(jīng)離職或退休。這給當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)商在開(kāi)始考慮分階段推出新的傳感器系統(tǒng)時(shí)留下了大量的未知數(shù)。

幸運(yùn)的是，傳感器市場(chǎng)現(xiàn)在提供了廣泛的替代方法選擇。許多老化的模擬組件現(xiàn)在已被微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 取代，這些系統(tǒng)比原來(lái)的同類產(chǎn)品更強(qiáng)大、更小、更節(jié)能。通常，這些傳感器已經(jīng)設(shè)計(jì)為利用新的通信媒體，例如 LoRaWAN、NB-IoT 蜂窩、Sigfox 甚至 Wi-Fi。

盡管工業(yè)運(yùn)營(yíng)商可能希望繼續(xù)使用他們現(xiàn)有的電纜廠，但這可能不切實(shí)際。舊的工業(yè)通信接口可能不適用于更新的傳感器系統(tǒng)。即使它們可用，它們也可能成本過(guò)高。需要進(jìn)行一系列貿(mào)易研究以確定最具成本效益的溝通方式。如果決定采用無(wú)線解決方案，那么設(shè)計(jì)人員將需要根據(jù)要升級(jí)的系統(tǒng)的物理特性來(lái)研究解決方案的實(shí)用性。

在開(kāi)始對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行任何重大更新之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的原型測(cè)試，盡可能多地重現(xiàn)操作約束。這可以使用市場(chǎng)上提供的眾多開(kāi)發(fā)套件之一來(lái)完成。這些通常包括商用現(xiàn)貨 (COTS) 開(kāi)發(fā)板、Linux 等操作系統(tǒng)和 COTS 無(wú)線電解決方案。

如果我們計(jì)劃用無(wú)線解決方案代替硬線布線，則需要對(duì)射頻 (RF) 頻譜進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，以確保頻段適用于應(yīng)用。通常，工業(yè)應(yīng)用需要大型電機(jī)或其他射頻干擾源?；蛘?，僅存在大型金屬結(jié)構(gòu)，例如在石油平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)的那些，就足以限制無(wú)線解決方案的有效性。此類調(diào)查應(yīng)在無(wú)線電選擇之前進(jìn)行，以便印刷電路板 (PCB) 設(shè)計(jì)人員和軟件開(kāi)發(fā)人員有足夠的信息來(lái)就無(wú)線方法做出明智的決定。

使用新的物理傳感器升級(jí)棕地應(yīng)用程序的過(guò)程通常從芯片設(shè)計(jì)人員對(duì)新傳感器的驗(yàn)證開(kāi)始。稱為物理驗(yàn)證，此過(guò)程涉及許多電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具，包括設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 (DRC)、布局與原理圖 (LVS)、電氣規(guī)則檢查 (ERC)、異或 (XOR) 和天線檢查。

幸運(yùn)的是，有許多協(xié)同設(shè)計(jì)供應(yīng)商提供了一套自動(dòng)化工具來(lái)執(zhí)行這些檢查。然后將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)移交給硅代工廠，并使用適當(dāng)?shù)闹圃旆椒ㄉa(chǎn)電路，以滿足原始設(shè)計(jì)的要求（例如，擴(kuò)展溫度或沖擊和振動(dòng)）。從這里，封裝的芯片交給 PCB 設(shè)計(jì)師進(jìn)行板級(jí)設(shè)計(jì)。

對(duì)于高度敏感或任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用，PCB 設(shè)計(jì)人員必須確保存在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和審核的供應(yīng)鏈。過(guò)去，有記錄在案的假冒芯片案例，通常具有較低的質(zhì)量和高于正常的芯片死亡率問(wèn)題，這迫使板級(jí)解決方案的開(kāi)發(fā)人員驗(yàn)證組件供應(yīng)商是否滿足組件的可靠性要求。對(duì)于電力生產(chǎn)和水處理等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分應(yīng)用尤其如此。

一旦板級(jí)解決方案準(zhǔn)備就緒，就需要進(jìn)行一系列環(huán)境測(cè)試，以驗(yàn)證傳感器在部署環(huán)境中的性能。這包括熱循環(huán)、沖擊和振動(dòng)測(cè)試、射頻發(fā)射和敏感性測(cè)試（包括 FCC 認(rèn)證）以及許多其他測(cè)試，具體取決于傳感器工作環(huán)境的嚴(yán)重程度。對(duì)于某些應(yīng)用，例如高濕度，電路板可能還需要進(jìn)行保形涂層或“灌封”以保護(hù)電路免受環(huán)境影響。

假設(shè)傳感器應(yīng)用程序?qū)⑹褂媚撤N微控制器或其他處理器（通常需要加密通信或管理無(wú)線解決方案），軟件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將需要就是否使用操作系統(tǒng)做出廣泛的決定將需要軟件設(shè)計(jì)理念、通信協(xié)議以及如何處理安全性。此外，如果這是一個(gè)棕地應(yīng)用程序，軟件團(tuán)隊(duì)將需要考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集端點(diǎn)的兼容性。

安全性是一個(gè)特別棘手的問(wèn)題，因?yàn)槲覀冃枰紤]到現(xiàn)場(chǎng)的軟件更新、配置傳感器/無(wú)線電、使用加密密鑰等。無(wú)論我們采取多少步驟來(lái)阻止對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)（特殊螺釘、灌封，防篡改外殼等），我們必須假設(shè)設(shè)備在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)已經(jīng)受到損害。這給配置方法帶來(lái)了特殊的負(fù)擔(dān)，以使設(shè)備從軟件角度盡可能安全。這將需要生成數(shù)字證書(shū)和/或使用安全電路，例如用于安全密鑰和參數(shù)存儲(chǔ)的智能卡芯片。

總而言之，棕地工業(yè)應(yīng)用程序的更新將要求設(shè)計(jì)人員考慮廣泛的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如果應(yīng)用程序是關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，則范圍從與現(xiàn)有系統(tǒng)的所需兼容性到平臺(tái)的推出甚至供應(yīng)鏈。

如果計(jì)劃用無(wú)線方法替換現(xiàn)有的有線解決方案，則設(shè)計(jì)人員將需要執(zhí)行大量測(cè)試，以確保在某些頻率可能存在射頻干擾的情況下，射頻頻率將在現(xiàn)場(chǎng)按預(yù)期傳播。設(shè)計(jì)者最好在整個(gè)系統(tǒng)中加入安全機(jī)制，以保護(hù)它免受潛在的攻擊者的侵害。應(yīng)用程序升級(jí)將不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。但密切關(guān)注細(xì)節(jié)將產(chǎn)生一種新的解決方案，既可以替代老化的現(xiàn)有設(shè)備，又可以在未來(lái)顯著節(jié)省成本。

審核編輯：湯梓紅