早期的物联网 (IoT) 概念定义了直接连接到云端的传感器。然而，随着垂直行业开始认真评估物联网架构，以获取更大的业务价值，这种“一刀切”的方法显然因种种原因而不切实际。

“云优先”模式对工业物联网 (IIoT) 部署的影响不胜枚举：

• 数据和设备安全问题：不安全的端点可能会直接与云端通信，让黑客得以利用漏洞访问敏感的工业网络。
• 失控的网络成本：在传感器和服务器之间传输数据（尤其是通过公共网络传输）的成本非常高，无法扩展到许多IIoT部署所需的数千个节点的规模。不仅如此，工业传感器还会产生大量测量和状态数据，网络拥塞、数据包延迟和带宽使用效率低下的情况也比比皆是。
• 始终在线传感器节点的功耗：远程传感器节点需要持续地连接到网络和能源。这一点在矿场和农场等偏远地区尤其难办，因为要前往难以进入的地区更换电池或排除网络故障，可能需要花费高昂的成本。

这些挑战催生了新型安全硬件、网络和电池技术，重新定义了物联网系统的架构和工业设备的设计方式。这场技术革命始于在专注边缘应用的芯片中将安全性和能效相结合。

物联网处理器的低功耗基础

Arm^® Cortex^®-M0 CPU于2009年随着现实世界物联网需求的定义而推出，其运行过程仅使用16位的“Thumb”指令，而非其前身所需的32位指令。

拇指指令的紧凑编码方法使Cortex-M0等处理器的代码密度提高了约30%，从而带动实现了更少的内存使用量、更小的芯片尺寸、更低的功耗以及更低的最终成本。时至今日，基于Arm Cortex-M33架构的设备都采用了Thumb指令，并通过TrustZone^®等功能实现了内置硬件安全。

TrustZone通过安全信任根 (RoT) 提供基于硬件的数据和设备安全性。通过与Cortex-M33 CPU内核的能效相结合，TrustZone可用于打造安全并且可在偏远环境中持续运行的电池供电物联网设备。同时，它并不会降低CPU性能，因为Cortex-M33处理器可提供出色的1.5 DMIPS/MHz和4.09 CoreMark/MHz性能，可在边缘处理复杂任务，从而减少对集中式云端处理的依赖。

从物联网面世之初到今天，Cortex-M级芯片不断为各种物联网用例提供可能性。

LPWAN的兴起

高能效IIoT边缘节点的成功，不仅取决于其主机处理器，还取决于其连接方式。2000年代末，4G技术的出现标志着早期网络的衰落，凸显了对新型低功耗广域网 (LPWAN) 技术的需求，这项技术可以促进物联网设备实现长距离通信。

LoRa^®等LPWAN技术已成为将电池供电的物联网设备连接到网络的一种颇具吸引力的方法。其长距离功能和低功耗使其成为资产跟踪、环境监测、工业自动化、智慧农业和智慧城市等IIoT应用的理想选择。

当今的LoRa收发器模块可实现长达15千米的LPWAN通信，而在传输过程中的电流消耗仅有约40mA。通常，LoRa模块通过UART与Cortex-M级设备等主机处理器连接，并通过ASCII命令进行通信，从而简化与物联网设备的集成。

这些收发器可与符合LPWAN网络频率要求的sub-GHz天线配合使用，许多此类天线都采用紧凑的SMD外形尺寸，可适应边缘设备中的空间限制。除了支持LoRaWAN等协议外，部分此类天线还支持Wi-Fi^®、Zigbee和蓝牙等短距离无线技术，因而能够创建支持回程的无线传感器网络。

物联网边缘节点的锂电池技术进步

得益于安全、高能效计算技术和LPWAN网络的出现，由电池供电的IIoT传感器节点成为了现实。IIoT行业接受了电池供电传感器的概念，对可靠、高密度电源的需求也随之增加。

锂离子电池的功率密度和可靠性不断提高，因而成为了这些传感器首选的供电方案。这些进步使物联网设备仅需一次充电就可以长时间运行——这是许多农业、采矿和工业应用的关键要求。同时，锂离子电池技术的可靠性也不断提高，从而降低了维护和运营成本，确保了不间断数据收集和通信能够实现。

Qoitech公司对LoRaWAN技术和纽扣电池的兼容性进行了研究，其结果强调了这两者在持久、低功耗无线物联网传感器节点方面的潜力^[1]。在这项研究中，研究人员使用电池分析工具测试了纽扣电池的性能，从而得出40mA（峰值电流）下的LoRaWAN功率曲线，并在电压降至0.6V或2V以下时触发退出条件。这项研究成果颇丰，揭示了钮扣电池制造商之间的性能差异，这种差异在较高电流水平下尤为明显。该研究还证明，CR2032和CR2450是为LoRaWAN设备供电的可行选择。

LPWAN技术与高密度锂离子电池的出色结合推动了IIoT的发展，使新型高能效无线传感器节点成为可能。钮扣式锂电池因其体积小巧、能量密度高、使用寿命长，已成为这些设备的首选电源。此类电池有多种化学成分和配置可供选择，适合特定的物联网应用，开发人员可根据需要自由选择。

贸泽电子提供丰富的纽扣电池选项，使开发人员能够为其物联网项目选择合适的电源。此外，还有许多工具可帮助开发人员评估实际条件下的电池性能。这些工具可确保物联网传感器节点在长生命周期部署中可靠运行，并帮助确定特定应用确定更加高效和具有成本效益的电源解决方案。

工业物联网技术的未来

最近的物联网技术进步不仅限于边缘，还扩展到了控制层。这些改进催生了多核片上系统 (SoC)，它们具有多个CPU或图形内核、集成神经网络加速器以及用于执行模拟、安全和其他工作负载的专用IP块。

这些高性能芯片组几乎总是包含多个高速I/O接口，可简化多种部署环境下的系统集成。它们也是使用管理程序 (hypervisor) 和单根I/O虚拟化 (SR-IOV) 等技术进行嵌入式虚拟化的候选产品，这些技术可分割片上内核、内存和I/O资源。因此，多个混合关键性工作负载可在单个物理处理器上同时运行和执行，与多处理器解决方案相比，能够尽可能提高资源利用率，并在整体上减小尺寸，降低重量、功耗和成本。

在其他领域，以太网时间敏感网络 (TSN) 等网络标准正在兴起。TSN引入了从控制层到传感器节点和企业系统的确定性通信功能，用于细粒度定时控制、精密设备管理和面向任务的工作流［如虚拟可编程逻辑控制器 (vPLC)］。随着IIoT节点的不断发展，这些技术不断融合，功能也更加丰富。

IIoT技术基石的发展始于边缘，如今仍在控制层继续演进。例如，带有集成加速器的多核SoC的出现，以及以太网TSN等网络标准的采用，为改进设备管理和实施容器化企业应用铺平了道路。

这些创新无疑将继续在定义IIoT的未来方面发挥关键作用。