使用單板電腦打造 IIoT 邊緣運算平台

雲端資料中心是工業物聯網 (IIoT) 的重要資源，能提供可擴充的大容量儲存裝置、處理能力、分析能力，還能定期監控安全性並持續更新各種功能。然而，若依賴雲端完成所有工作，其中會存在一些缺點。例如，對於流程和動作控制等關鍵任務型功能來說，雲端和邊緣之間的延遲可能會太久。另外，資料可能會受到駭客攻擊，而且大量的資料傳輸可能會快速對通訊資源造成壓力。這些問題的解決之道，在於盡可能在邊緣進行處理及分析。

對於這些 IIoT 邊緣處理來說，以單板電腦 (SBC) 作為基礎的運算平台，能夠為設計人員提供越來越多成本效益高且受到良好支援的解決方案。為了在這個新市場佔有一席之地，嵌入式系統製造商推出了搭載 64 位元處理器的 SBC，其具備高速記憶體，可支援固態大容量儲存裝置與多種作業系統，並且安全等級高，還有幾十個 GPIO 引腳以及其他許多功能。

本文將探討邊緣的 SBC 需求，以及 IIoT 內部邊緣運算的選擇與整合考量因素。接下來會介紹幾款 SBC 範例，這些產品的製造商分別是 Advantech、Digi、UDOO 和 VersaLogic，還會介紹 Raspberry Pi；然後說明設計人員如何使用這些產品，量身打造出適用 IIoT 邊緣環境的運算解決方案。

為何要將 SBC 用於 IIoT

對 IIoT 設計人員來說，SBC 明顯的好處便是可彈性設定整體平台，可以只選用目前所需的功能，同時又具有可擴充性，而不像為專門用途打造的 PC，功能一經改變就要廢棄整個平台。另一項好處是，系統是從頭開始全新打造，設計人員能夠累積很多知識，而未來需要擴充運算資源時，這些知識會相當重要。

SBC 與其專屬應用一樣，有很多不同的種類。例如，國防與航太系統通常都會倚賴 3U 和 6U 尺寸的 SBC，一般採用 Open VPX 標準。這類產品的主機處理器通常是高階的 Intel 處理器，並搭載 Xilinx 的 Virtex 系列 FPGA，或以圖像處理單元 (GPU) 作為硬體加速器，並且具備 12 及 16 位元的類比數位轉換器 (ADC) 及數位類比轉換器 (DAC)，還有大容量的 DDR4 記憶體。此外，背板上具有多條 PCIe 第 4 代線道，以及 Rapid IO 和 PCIe 等交換結構。當然，使用這些功能需要附上代價。

這類市場的另一端是 DIY 或「創客」SBC，在全世界的銷售數量達數百萬計，這都是因為 Raspberry Pi、Arduino 及其他平台的廣泛普及所致。雖然這類 SBC 產品價格相當低廉，但還是能夠將一組感測器連接至 SBC，執行適度的運算，之後將運算結果傳送到現場電腦或邊緣電腦，後者則由一個或多個功能更強大的 SBC 組成。這樣的特性顯然會增加系統的物料清單，但還是可以接受的，因為這會為整組邊緣感測器元件增添智慧功能，除了可在邊緣直接進行某種決策，還可以使用邊緣電腦在本機完成決策。

在國防／航太及 DIY 兩種市場定位之間，還有專為工業應用設計的 SBC。雖然也可支援 Raspberry Pi 和 Arduino，但效能優異許多，而且能夠耐受嚴苛的環境，同時搭載屬於 Arm® Cortex® 系列或中階 Intel Core 型號的主機處理器。這類產品提供相當於中階筆記型電腦的效能，尺寸不到 6 in²，並搭載 DDR3 或 DDR4 記憶體，或設計人員可任選的記憶體。

其他的標準功能包含：支援 SPI 及 SPX、Gigabit 乙太網路、低電壓差動訊號 (LVDS) 與 PCIe、含可信賴平台模組 (TPM) 的多種類型安全性、音訊和視訊輸入與輸出、8 至 12 個 USB 埠，並且支援二通道和四通道的 SATA 3.0 儲存裝置。常見的配件包含各式安裝用五金件，以及散熱片和纜線。許多 SBC 還可以接受子卡，以擴展機板未包含的通訊標準；在少數情況下也支援 4G 蜂巢網路。此外，相關製造商也提供多種技術資源，例如開發板及原型開發套件等。

Advantech 的 AIMB-581WG2-00A1E 即是搭載 Intel 處理器的良好範例 (圖 1)。這款 9.6 in² 機板的最高規格搭載 Intel 的 Xeon E3-1275 與 Core i7-2600 處理器，並最多支援 32 GB 的 DDR3 記憶體。另一個範例是 UDOO 的 SC40-2000-0000-C0-V，這是一款 4.72 in² 的機板，搭載 AMD 的四核心 2 GHz Ryzen Embedded V1605B CPU，並搭配 AMD 八個 GPU 的 Radeon Vega 8 圖形加速器。此產品最多支援 32 GB 的 DDR4-2400 記憶體，並提供各式各樣大容量儲存裝置選項。

圖 1：Advantech 的 AIMB-581WG2-00A1E SBC 是一款相當具代表性的產品，可展示 SBC 如何在相當小的覆蓋區中整合重要的功能與擴充能力。(圖片來源：Advantech)

不同於其他許多的工業用 SBC，VersaLogic 的 Liger VL-EPM-43SCP-08 使用 Windows 與 Linux 作業系統 (圖2)。此產品的尺寸為 PC/104-Plus 4.2 x 3.7 in，可透過疊加機板來增加功能；相較於先前版本的 PC/104，還能支援 PCI 匯流排及 ISA。VL-EPM-43SCP-08 搭載 2.8 GHz Intel Core i7-7600U CPU，可支援 8 GB DDR3 記憶體 (可擴充至 16 GB) 以及 SATA 3.0 大容量儲存裝置。其他介面包含 microSD 插槽、I²C 介面；RS-232、RS-422 和 RS-435 (可選)；兩個 mini DisplayPort、一個 HDMI 輸出，以及顯示解析度最高達 4096 x 2304。此外，這款機板也符合 MIL-STD-202G 防衝擊與振動要求。

圖 2：VersaLogic 的 VL-EPM-43SCP-08 SBC 可執行 Windows 與 Linux，且符合 PC/104-Plus 尺寸要求。(圖片來源：VersaLogic)

Digi 的做法稍有不同，採用自家的 ConnectCore 6 系統模組。此模組搭載 NXP Semiconductors 的 i.MX6UL-2 處理器系列，在單一裝置中內建應用處理器及 Arm Cortex-A7 核心 (圖 3)。

圖 3：ConnectCore 6 系統模組 (SIM) 在單一裝置中整合了 SBC 幾乎所有的功能，並且搭載 NXP 的 iMX6UltraLite 應用處理器。(圖片來源：Digi)

ConnectCore 6 SIM 的 CC-SB-WMX-J97C 版尺寸為 4.7 in²，可提供 Bluetooth 4 和 Wi-Fi 功能、該公司的 Digi XBee 無線電 (採用 IEEE 802.15.4 標準)、選配的蜂巢網路連線能力，以及 Gigabit 乙太網路，並支援多部顯示器、一部攝影機以及擴充用連接器 (圖 4)。

圖 4：CC-SB-WMX-J97C SIM 支援多種無線標準，以及該公司的 XBee 無線電，尺寸為 4.7 in²。(圖片來源：Digi)

SBC 的選擇考量

對於現有的 IIoT 系統而言，設計流程中的第一步是評估公司目前的邊緣需求，以及這些需求在未來增加的可能性。後者比較像是一種假設狀況而非現況的描述，因為不可能會確切知道多快會需要用到資源。即便如此，從大部份公司實作 IIoT 的經驗來看，這些需求最初都被低估，因此最好的做法是假設這方面的需求會隨著時間增加。

下一步是判斷所需的基本資源，包含有線及無線連線能力、對大容量儲存裝置的支援，以及驅動螢幕、音訊、視訊、平板照明、揚聲器及其他元件所需的輸入與輸出。整個評估過程通常不難，這是因為效能足以滿足 IIoT 需求的 SBC 一般都已具備所有這些功能。

機板是否能透過擴充板來增加功能，是另一項要考慮的因素。例如，雖然機板上通常都會內建 Wi-Fi 和藍牙收發器，但許多 IIoT 系統使用 Zigbee 或其他可能的短距離無線標準，以及 LoRaWAN、Sigfox 或其他無線網路業者提供的窄頻物聯網 (NB-IoT) 等低功率廣域網路 (LPWAN) 技術。

在軟體方面，有許多作業系統可供選擇，其中大部份採用 Raspberry Pi 的官方版 Raspbian 或各種版本的 Linux。Arduino 的整合開發環境 (IDE) 支援 Windows、macOS 及 Linux。Windows 10 被排除在外，這是因為此作業系統與 Raspberry Pi 並不相容，而且 IIoT 最近才對這款作業系統開始感興趣。

最後，系統安裝環境的狀況也必須納入考量，可能會需要用到加固機殼，並且需要具備防水、防塵、防振及抗衝擊等能力。

轉往 SBC 叢集

這些 SBC 雖然相當實用，但設計人員若只能使用單板，則能完成的工作將有所限制。不過，隨著應用規模的增加，機板也可以得到擴充。為了建立微型超級電腦，洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Laboratory) 和 NASA 以及其他機構已經打造出 SBC 叢集。SBC 叢集也不會超出 IIoT 設計人員的能力範圍，40 個節點的 Raspberry Pi 3 Model B 叢集即是例證 (圖 5)。這款 40 個節點的叢集搭載 40 個 Raspberry Pi 3 Model B，具備 20 GB 的記憶體，能夠支援最大 12 TB 的大容量儲存裝置，然而尺寸僅為 9.9 x 15.5 x 21.8 in。

圖 5：這款 40 個節點的叢集搭載 40 個 Raspberry Pi 3 Model B，具備 20 GB 的記憶體，能夠支援最大 12 TB 的大容量儲存裝置，而尺寸僅為 9.9 x 15.5 x 21.8 in。(圖片來源：LikeMagicAppears!)

這類系統應該會讓嵌入式系統開發人員眼睛為之一亮，因為它們可以示範如何使用 Raspberry Pi 及其他架構，針對 IIoT 邊緣運算需求，打造出功能強大且可擴充的 SBC 叢集。對於這項應用來說，Raspberry Pi Model 3B+ 是一個相當好的起始點。相較於傳統式叢集，SBC 叢集的體積小得多、成本更低，而且消耗的功率不會過多；這些特性使其在邊緣的種種限制下，成為相當合適的選項。

目前已經有各種方法證實，可在有限的空間中取得非常高的效能。例如，Pi Stack 技術在叢集當中從單點引入 DC 電力，並在整個叢集內配送電力 (圖 6)。這樣的做法能夠減少配線，並可在給定覆蓋區內裝入更多片 Raspberry Pi 機板。節點間的通訊則是透過 SBC 所提供的乙太網路介面進行。

圖 6：使用 Philip Basford 等人提出的 Pi Stack 結構方式打造的 SBC 叢集。(圖片來源：Future Generation Computer Systems)

利用市面上現成低成本 SBC 產品，並搭配電源供應器和各式各樣週邊裝置，就能提供相當高的效能，這可能是 SBC 叢集最令人驚訝的特性。對於 IIoT 使用的邊緣運算來說，這樣的概念還相對較新，但值得認真考慮。

結論

針對 IIoT 應用所設計的 SBC 數量正大幅增加中，可為打造邊緣運算平台任務的設計人員，提供相當吸引人的解決方案。當這類裝置搭配電源供應器、機殼以及一些週邊裝置，即可進行客製化設計，並能以具成本效益的方式進行擴充，在相當小的覆蓋區內滿足多樣操作環境的需求。