长距离总线：推动此技术的行业要求

作者：Sreedharan Bhaskaran，Bridgetek软件工程总监

根据MarketsAndMarkets公司的研究，预计全球物联网市场将从2017年的2350亿美元增长到2021年的5200亿美元，占年复合增长率的22%。随着工业4.0和物流4.0的实施，预计在整个十年内，这种高增长情况将持续下去——因此，生产力的提高、过程效率的提高、设备停机时间的缩短和劳动力的减少都将得以实现。传感器和传感器成本的下降、数据存储容量的增加和更大的网络访问是有助于加快物联网部署活动的进一步因素。

 

一个物联网系统通常由三部分组成，分别是传感器和执行器的网络，它们再连接到一个网关。该网关则连接到云端。传感器获取的数据将在网关中进行整理，并转发到云端，然后在云端进行处理和分析。控制消息从云流向网关，网关有效地充当云与网络边缘的传感器/执行器设备之间的中继。一些网关包含处理功能。这有助于减少所需的数据传输，因此没有过度堵塞的风险。这也意味着实时响应可以从中受益，从而避免了数据必须返回到基于云的系统，然后返回响应消息的延迟。这种网关称为边缘处理器。基于云的处理和存储资源使数据能够被仔细检查或显示在仪表板上。它还可以处理警报-可以发送短信，电子邮件或推送通知到相关设备，从而采取接下来的动作。

部署由传感器和执行器组成的物联网系统并非没有挑战。工程师面临的一些挑战与传感器/执行器与指定网关的距离或指定区域中传感器/执行器的密度有关。通信基础设施的速度、安全性和运行可靠性可能带来其他挑战。最后，还有网络的供电要考虑。距离问题主要通过部署无线传感器来解决，然而，在工业环境中，这并不总是可能的，因为混凝土和钢建筑结构会阻碍和降低信号强度。以更高的功率水平传输将意味着电池耗尽过快（因此增加了相关的维护成本，因为电池需要更频繁地更换）。此外，来自其他设备的EMI噪声可以影响无线通信的有效性，并且这种传输相对容易被第三方窥探。因此，在工业环境中，采用有线解决方案通常更为合适。

为了解决上述问题，Bridgetek研发了长距离传感器总线（LDSBus）。这是一个供电和差分串行总线，有效传输距离达200米。主机单元通过总线将电源分配给连接到总线的所有外围传感器/执行器单元。总线的供电电压为24伏，一个主机单元管理和监督从机单元，称为LDSBus单元（LDSUs）。传感器和致动器可连接至总线并由主机控制。总线以230kbps的数据速率运行，并提供足够的带宽来控制总线上多达127个LDSU。

LDSBus架构允许LDSU包含多达10个传感器和/或执行器。Bridgetek已经为客户开发了LDSU传感器和执行器。这些是：

·4合1传感器，集成温度、湿度、环境光和运动传感功能，所有这些功能都封装在紧凑的外形中。

·室内空气质量（IAQ）传感器，用于测量和监测建筑物、工作区和工业场地内的空气质量水平。

·基于热电偶的温度传感器，能够监测极端温度（高达1372°C）

·用于光合作用过程监测（在智慧农业应用中）或用于监测员工工作环境（在日常工作环境检测应用中）的二氧化碳气体传感器。

·用于检测压力变化的压力传感传感器。

·土壤湿度、pH值和电导率测量传感器，用于监测精确的营养状况，以获得最佳作物产量（同样，与智慧农业相关）。

Bridgetek还开发了可用于LDSBU的其他形式的硬件。这些项目包括：

·用于控制/调光照明的LED后沿调光器

·用于泵和电机控制的开/关继电器。

·用于控制红外设备的红外控制器。

总线主干中的LDSU连接点是通过将高压T形接头插入总线段来创建的。每个接头都由一个上行和下行RJ-45连接器组成，用于扩展24V主干。该主干网由Cat5E电缆构成。4个RJ11/RJ12连接器的阵列可连接多达4个LDSU。高压T型接头将24V电源转换为适合LDSU的5V电源。总线上的最后一个LDSU（离主机最远的LDSU）必须启用其总线终端以保持稳定的通信。

Bridgetek LDSBus的供电无需电池，因此节省了更换电池的相关劳动力。传输的差分特性确保了高共模噪声抑制（这可以缓解EMI问题），而总线的有线特性意味着“中间人”无线监听不再是一个问题。三个总线（每个总线半径200米）可以覆盖12个足球场。LDSBU可以包含多达381个LDSU（或3810个传感器和执行器），因此可以实现高节点密度。

为了支持所涉及的硬件，Bridgetek提供了一个称为LDSU编程实用程序的软件实用程序。这可以编程LDSU地址、名称和终端。Python脚本和Bridgetek LDSBus库的示例演示了如何在Windows、Linux或Raspberry-Pi上实现LDSBus源单元（主端）。