微控制器和软件架构选择
图10显示了一个简单的基于振动传感器的MQTT架构，图11显示了可部署单对以太网状态监测传感器连接到个人电脑或树莓派的简化方框图。MQTT（消息队列遥测传输）是用于物联网的轻型消息传输协议，允许网络客户端在低带宽环境中分发遥测数据。将MQTT归为轻型的原因是其消息的代码占用空间很小。这种发布与订阅消息传输模式非常适合以较小代码占用量和网络带宽连接远程设备。MQTT广泛用于石油和天然气、汽车、电信和制造业等众多行业领域。发布者发送消息，订阅者接收其关注的消息。代理将消息从发布者传递给订阅者。某些MQTT代理能够处理数百万个同时连接的MQTT客户端，利用这一点，许多传感器可以连接到一个SPE设备，从而创建一个传感器数据管道，如图10所示。发布者和订阅者都是MQTT客户端，只能与MQTT代理进行通信。MQTT客户端可以是Arduino、树莓派、ESP32等任何设备，也可以是Node-RED或MQTTfx等应用程序。
图10.简单的MQTT发布/订阅架构
图11中的前四个模块由传感器、微控制器、MAC-PHY和媒体转换器组成。该传感器是一款可以检测振动的数字输出三轴MEMS传感器。从ADXL357读取数据可采用任何带有SPI接口的标准低功耗微控制器，如MAX78000或MAX32670。MAX78000具有额外优势，可通过内置卷积神经网络(CNN)硬件加速器提供超低功耗边缘AI处理功能。
图11.可部署单对以太网状态监测传感器框图
将测量的振动数据放入MQTT主题中，以便再次通过SPI传输到MAC-PHY。可使用低成本的Cortex®-M4微控制器通过SPI读/写ADIN1110 MAC-PHY，以启用各种模式和配置，如“打开”或“关闭”PoDL、T1L专用、主节点或子节点、1V或2.4V。ADIN1110将MQTT数据主题转换为10BASE-T1L格式，并通过300m长的IP67级电缆传送，具有先进的屏蔽特性，可在1700m内保持稳健的性能。然后，媒体转换器将数据从10BASE-T1L转换为10BASE-T格式，以便PC或树莓派解译数据，然后进行处理和显示。
ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY
ADIN1110是一款面向工业应用的稳健型单端口低功耗10BASE-T1L以太网MAC-PHY收发器。ADIN1110具有集成的MAC接口，可通过SPI与各种主机控制器直接连接。该SPI通信通道可使用低功耗处理器，无需集成MAC，整体系统级功耗非常低。ADIN1110设计用于楼宇、工厂和过程自动化中部署的边缘节点传感器和现场仪表。该器件采用1.8V或3.3V单电源轨供电，支持1.0V和2.4V幅度工作模式和外部端接电阻，支持在本安型环境中使用。ADIN1110支持可编程发射电平、外部端接电阻和独立的接收和发送引脚，适合各种本质安全应用。
以太网至现场或边缘的愿景是将所有传感器和执行器连接到一个融合IT/OT网络。由于其中一些传感器受功率和空间的限制，因此实现这一愿景面临系统工程方面的挑战。适用于传感器和执行器应用、具备强大内部存储功能的低功耗、超低功耗微控制器市场需求日益增长。但大多数这样的处理器都有同样的问题，那就是没有集成的以太网MAC，不支持MII、RMII或RGMII媒体独立（以太网）接口。传统的PHY无法连接到这些处理器/微控制器。
表8中显示了可部署单对以太网状态监测传感器的固件实现。
表8.固件代码容量
大多数带有足量存储器的低成本Cortex-M4微控制器都适合此应用。SPE状态监测传感器的软件架构如图13所示，它由多个元件组成，相应的框图如图12所示。微控制器可以轻松处理操作系统(FreeRTOS)和MQTT库，以及轻型IP协议栈或lwIP。lwIP是TCP/IP协议套件的小型独立开源实现，旨在减少RAM占用，同时仍提供全面的TCP。FreeRTOS提供的开源操作系统具有详尽记录且受到良好支持，因此可轻松添加新的代码功能块。lwIP TCP/IP实现的目标是提供全面的传输控制协议(TCP)，同时减少资源占用，因此lwIP非常适用于具有几十kB可用RAM和约40kB代码ROM的嵌入式系统。还有一些附加应用程序，例如用来提供MQTT功能的MQTT客户端。MQTT块配置为发布/订阅模式，可提供精简、高效的解决方案。在与lwIP协议栈通信之前，ADIN1110驱动器需先与地址解析协议(ARP)块进行通信，以确保微控制器与ADIN1110之间能够实现无缝网络通信。
