無(wú)線IIoT：邁向下一代工業(yè)互聯(lián)

作者/Matt Maupin(Silicon Labs高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理)

　　摘要：制造業(yè)、電力傳輸和公用事業(yè)(燃?xì)狻㈦?、?等工業(yè)部門的運(yùn)營(yíng)和環(huán)境條件總是對(duì)互連構(gòu)成挑戰(zhàn)。當(dāng)存在清晰明確的網(wǎng)絡(luò)需求時(shí)，通常使用有線連接，從而確保關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的可靠性。無(wú)線更多用于提供臨時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，尤其是在有線基礎(chǔ)設(shè)施缺乏或不易實(shí)現(xiàn)的工業(yè)環(huán)境中。從歷史上看，兩種網(wǎng)絡(luò)類型互連在一起并不常見(jiàn)，但互聯(lián)網(wǎng)改變了這一切。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線;IIoT;工業(yè);互聯(lián)

　　引言

　　雖然有線網(wǎng)絡(luò)通常符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但早期的無(wú)線解決方案往往使用某種形式的專有協(xié)議。然而當(dāng)前的情況已經(jīng)轉(zhuǎn)變，基于公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正在挑戰(zhàn)“舊有方式“，并將取代有線網(wǎng)絡(luò)連接，且有充分的理由。

　　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供了有線解決方案的許多優(yōu)勢(shì)，并增加了許多新的可能性，例如更高的移動(dòng)性、靈活性，更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)管理以及更低的構(gòu)建成本。無(wú)線HART是工業(yè)領(lǐng)域中使用最廣泛的無(wú)線技術(shù)之一，它從其早先的硬連線技術(shù)發(fā)展而來(lái)，專門用于流程自動(dòng)化。隨著需求的變化，其他無(wú)線協(xié)議的使用也在增加。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)將可能通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，并且有很多種方案選擇，那么從中選擇正確的方案就會(huì)具有挑戰(zhàn)性。在這里，我們提供一些對(duì)比，有助于簡(jiǎn)化決策過(guò)程。

　　1 有線還是無(wú)線?

　　隨著自動(dòng)化的發(fā)展，人們需要拓展到更寬廣的視野，例如全球需求、本地物流和整體供應(yīng)鏈。管理所有這些數(shù)據(jù)的流動(dòng)需要新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而今天的大多?shù)網(wǎng)絡(luò)是基于數(shù)據(jù)包的。每個(gè)數(shù)據(jù)包中是一個(gè)有效載荷(數(shù)據(jù))，通常在頭部(路由信息)之后、尾部(包含有用的信息，如糾錯(cuò))之前。

　　這種基本格式存在于有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。延遲和帶寬等參數(shù)用于評(píng)估網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)的能力，隨著工業(yè)變得更加自動(dòng)化和分散化，這變得更加重要。對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，還需要考慮其他重要參數(shù)，例如覆蓋范圍、穩(wěn)健性和功耗等。

　　功耗是無(wú)線IIoT網(wǎng)絡(luò)中的重要考慮因素。對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)連接所需的電力實(shí)際上可以由連接本身來(lái)提供。但是，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，需要額外提供或收集電力。這意味著功耗是無(wú)線IIoT網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵考慮因素。因此，無(wú)線IIoT設(shè)備必須在輸出功率、占空比和吞吐量等方面進(jìn)行權(quán)衡。

　　覆蓋范圍與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的操作頻率密切相關(guān)。那些在sub-GHz范圍內(nèi)工作的器件通常具有比在2.4 GHz范圍內(nèi)工作的器件更大的覆蓋范圍(對(duì)于給定的功率而言)。但是，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以幫助擴(kuò)展2.4 GHz的覆蓋范圍，有許多流行的網(wǎng)狀技術(shù)，例如Zigbee、Thread和Bluetooth Mesh等。由于標(biāo)準(zhǔn)和2.4 GHz頻段的采用，這些協(xié)議對(duì)IIoT的未來(lái)也很重要。因此，預(yù)計(jì)IIoT將采用運(yùn)行在2.4 GHz和sub-GHz頻段的協(xié)議。

　　2 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)考慮因素

　　無(wú)線IIoT網(wǎng)絡(luò)的根本目的是可靠地傳輸數(shù)據(jù)，因此IP變得越來(lái)越重要。IP提供了更強(qiáng)的互操作性，更易于訪問(wèn)及數(shù)據(jù)管理。Thread和6LoWPAN使用與互聯(lián)網(wǎng)部分相同的IP格式，這使得使用傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)去尋址特定端點(diǎn)變得更加簡(jiǎn)單?；赯igbee的網(wǎng)絡(luò)(不支持IP)將需要網(wǎng)關(guān)在兩個(gè)域之間轉(zhuǎn)換消息。但是，我們正在看到更多流行的網(wǎng)關(guān)和集線器將Zigbee橋接到互聯(lián)網(wǎng)，從而可以輕松訪問(wèn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含的設(shè)備和數(shù)據(jù)。

　　3 網(wǎng)狀技術(shù)

　　目前，許多協(xié)議都支持網(wǎng)狀技術(shù)，包括Bluetooth、Zigbee、Thread和Z-Wave(在互聯(lián)家居中很流行)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通過(guò)允許近距離的設(shè)備成為網(wǎng)絡(luò)傳輸中活動(dòng)路徑的一部分來(lái)擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。實(shí)際上，數(shù)據(jù)包可能有多條路徑通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，但路徑選擇取決于現(xiàn)實(shí)條件。例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的通信由于干擾、信號(hào)丟失或設(shè)備故障而中斷時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可能正在通信。這時(shí)，該消息不會(huì)由于通信路徑中斷而終止傳輸，而是簡(jiǎn)單地尋找附近的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)并繼續(xù)正常傳輸。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的這種自我修復(fù)能力是其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)之一。在IIoT中，設(shè)備可以被移動(dòng)、添加、循環(huán)或移除，這種“無(wú)須動(dòng)手”的方法對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理來(lái)說(shuō)非常有用。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù)特性還提供了一個(gè)能夠應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。例如，包含大量金屬設(shè)備的工廠將產(chǎn)生射頻信號(hào)多徑及更多的信號(hào)衰減。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許信號(hào)通過(guò)這樣的環(huán)境找到最佳路徑。

　　4 遠(yuǎn)程通信

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的替代方案是星形拓?fù)?參見(jiàn)圖1)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)直接與網(wǎng)關(guān)通信。這是低功率廣域網(wǎng)(LPWAN)(例如LoRa和Sigfox)以及諸如NB-IoT和LTE-M的蜂窩變體所采用的方法。通過(guò)在sub-GHz頻段工作并保持?jǐn)?shù)據(jù)帶寬相對(duì)較低(每條消息數(shù)十比特)，LPWAN能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十公里的覆蓋范圍。這些技術(shù)非常適用于智能城市和遠(yuǎn)程監(jiān)控等新興基礎(chǔ)設(shè)施，其中節(jié)點(diǎn)之間的距離很大，但交換的數(shù)據(jù)相對(duì)較少。但是，它們并不太適合智能工廠，這是因?yàn)閷?duì)于智能工廠來(lái)說(shuō)，帶寬和延遲性能比覆蓋范圍更加重要。

　　5 多協(xié)議無(wú)線電

　　由于sub-GHz技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中具有超越2.4 GHz頻譜的優(yōu)勢(shì)和好處，因此IIoT更多采用sub-GHz技術(shù)。專有協(xié)議在sub-GHz頻段的普及仍然很強(qiáng)，部分原因要?dú)w于傳統(tǒng)技術(shù)的普及。

　　正如有線和無(wú)線技術(shù)的組合曾經(jīng)是實(shí)現(xiàn)最佳連接的理想方式，如今解決方案可能不是選擇單一無(wú)線技術(shù)，而是結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)及效益。工作在sub-GHz頻段的協(xié)議提供了許多好處，但可能僅能提供有限的帶寬，并且必須通過(guò)專用無(wú)線電與設(shè)備通信。Bluetooth Low Energy可提供高達(dá)2 Mb/s的帶寬，并為PC、筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供簡(jiǎn)單的接口。選擇支持Bluetooth和sub-GHz連接的集成多協(xié)議解決方案(參見(jiàn)圖2示例)，不僅可以提供基于標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz連接，而且可用于與采用sub-GHz技術(shù)的機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人機(jī)交互。

　　6 結(jié)論

　　世界各地的公司和市政當(dāng)局正在認(rèn)識(shí)到無(wú)線連接為工業(yè)環(huán)境帶來(lái)的好處。現(xiàn)在生成的可用于改進(jìn)流程和提高生產(chǎn)率的數(shù)據(jù)量是不可否認(rèn)的，而工廠、城市、辦公室和家居更智能的運(yùn)營(yíng)需求同樣明顯。IIoT將超越傳感器和驅(qū)動(dòng)器，為實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)提供所需的云連接和大數(shù)據(jù)。每個(gè)行業(yè)都將受益于這場(chǎng)革命，每個(gè)人也都將受益。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　Matt Maupin，負(fù)責(zé)EFR32 Wireless Gecko產(chǎn)品。他在半導(dǎo)體行業(yè)有超過(guò)15年的無(wú)線連接工作經(jīng)驗(yàn)，包括Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee以及2.4 GHz和sub-GHz頻段的專有解決方案。Maupin先生一直活躍于無(wú)線通信的眾多行業(yè)組織，包括Bluetooth、Zigbee和IEEE。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第15頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處