對于工業物聯網 （IIoT） 而言，基于云的數據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、安全問題定期修復以及持續的功能更新。不過，依賴云服務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關鍵型功能而言，云與邊緣之間的延時過長。此外，數據可能會遭到黑客入侵，而大量數據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行處理和分析。

　　在工業物聯網邊緣處理方面，基于單板機 （SBC） 的計算平臺為設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，嵌入式系統制造商推出的 64 位處理器 SBC 具有高速存儲器，支持固態大容量存儲和多種操作系統，安全級別較高，具有數十個 GPIO 引腳及許多其他功能。

　　本文探討了邊緣應用對 SBC 的需求，以及用于工業物聯網內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，闡示了設計人員如何能將其應用于針對工業物聯網邊緣環境而定制的計算解決方案。

　　工業物聯網為何要使用 SBC

　　對于工業物聯網設計人員而言，SBC 的顯著優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——不像某些特別設計制造的 PC 那樣，需要報廢整個平臺。另一個優勢是，鑒于從頭開始設計系統，設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。

　　與其設計目標應用一樣，SBC 種類繁多。例如，國防和航空航天系統常用的 SBC 采用 3U 和 6U 尺寸，通常基于 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 位模數轉換器 （ADC） 和數模轉換器 （DAC），以及大容量 DDR4 內存。此外，背板由第 4 代 PCIe 的多條通道和 RapidIO 和 PCIe 等交換結構組成。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“創客”SBC 在全球范圍內的銷量達數百萬。雖然價格便宜很多，但這些 SBC 也能連接一組傳感器，執行適度的處理，然后將結果發送至現場或邊緣計算機，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備集群的智能性，促使在邊緣和本地能使用邊緣計算機執行某些決策。

　　介于國防/航空航天應用與 DIY 之間的是針對工業應用設計的 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 內存，也可由設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、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，少數情況下支持 4G 蜂窩網絡。此外，這些 SBC 的制造商還提供了大量技術資源，例如開發板和原型開發套件。

　　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 內存和各種大容量存儲選項。

圖 1：Advantech 的 AIMB-581WG2-00A1E SBC 作為典范，詮釋了 SBC 如何將關鍵功能和擴展功能集成在超小的尺寸內。（圖片來源：Advantech）

　　不同于許多其他工業 SBC，VersaLogic 的 Liger VL-EPM-43SCP-08 使用 Windows 操作系統和 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。

圖 2：VersaLogic 的 VL-EPM-43SCP-08 SBC 運行 Windows 和 Linux，采用 PC/104-Plus 尺寸。（圖片來源：VersaLogic）

　　Digi 則另辟蹊徑，使用 ConnectCore 6 系統級模塊。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用處理器和 Arm Cortex-A7 內核（圖 3）。

圖 3：ConnectCore 6 系統級模塊 （SIM） 基于 NXP 的 iMX6UltraLite 應用處理器，并在單個器件中集成了 SBC 的幾乎所有功能。（圖片來源：Digi）

　　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，支持多種顯示器，配有攝像頭和擴展連接器（圖 4）。

圖 4：CC-SB-WMX-J97C SIM 支持多種無線標準和該公司的 XBee 無線電，尺寸為 4.7 in.2。（圖片來源：Digi）

　　SBC 選型注意事項

　　對于現有的工業物聯網系統，設計過程的第一步就是評估公司當前在邊緣應用方面的需求，將來又可能會增長多少。后者更多的是一種假設，而不是事實陳述，因為我們不可能準確地預測什么時候會需要用到這些資源。而經驗表明，實施了工業物聯網的公司最初大多都低估了需求，因此最好的應對方法是假設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，因為具備工業物聯網所需性能的 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 和藍牙收發器，但是許多工業物聯網系統采用 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網 （NB-IoT） 等低功耗廣域網 （LPWAN） 技術。

　　在軟件方面，有多種操作系統可供選擇，其中大多數基于 Raspberry Pi 的官方 Raspbian 或各種版本的 Linux。Arduino 的集成開發環境 （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，工業物聯網應用才開始漸漸對這一操作系統感興趣。

　　最后，設計人員必須考慮系統安裝所在地的環境條件，可能需要加固外殼，又或是需要防水、防污、抗振和抗沖擊。

　　轉向 SBC 集群

　　這些 SBC 雖很有用，但如果設計人員只能使用單一電路板，能夠實現的功能畢竟有限。不過，隨著應用規模的擴大，也可以擴展電路板。為了創建微型超級計算機，洛斯阿拉莫斯國家實驗室 （Los Alamos National Laboratory） 和 NASA 及其他機構就已建立了 SBC 集群。但是，SBC 集群也不會超出工業物聯網設計人員的能力范圍，40 個節點的 Raspberry Pi 3 Model B 集群就是例證（圖 5）。該 40 節點集群基于 40 塊 Raspberry Pi 3 Model B，具有 20 GB 內存，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。

圖 5：該 40 節點集群基于 40 塊 Raspberry Pi 3 Model B，具有 20 GB 內存，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。（圖片來源：LikeMagicAppears！）

　　此類系統展示了如何基于 Raspberry Pi 及其他架構構建功能強大、可擴展的 SBC 集群以用于工業物聯網邊緣計算，嵌入式系統開發人員應當引起注意。對于這類應用，Raspberry Pi Model 3B+ 可以提供一個很好的起點。相比傳統集群，SBC 集群體積更小、成本更低、功耗更低，因此非常適合邊緣應用的有限空間。

　　事實證明，有多種方法可以在受限的空間內實現較高的性能。例如，Pi Stack 技術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安裝更多 Raspberry Pi 板。節點間的通信可通過 SBC 配備的以太網接口實現。

圖 6：使用 Philip Basford 等人提出的 Pi Stack 構造法構建 SBC 集群。（圖片來源：Future Generation Computer Systems）

　　關于 SBC 集群，最引人矚目的一點在于它能以低成本使用現成的 SBC、電源和各種外設來提供極高的性能。對于工業物聯網邊緣計算而言，這一概念方才剛剛引入，卻值得仔細考量。

　　總結

　　針對工業物聯網應用而設計的 SBC 逐漸增多，為需要構建邊緣計算平臺的設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，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境的需求。