實現(xiàn)工業(yè)4.0的無線標準是什么

　　Bernd?Hantsche?（儒卓力?嵌入式及無線產(chǎn)品?營銷總監(jiān)）

　　摘?要：隨著業(yè)界實施工業(yè)4.0，除千兆線路外，無線技術將會越來越多地在工業(yè)領域中大展拳腳?，F(xiàn)在的問題不再是無線技術會否發(fā)展，而是將如何及何時發(fā)揮作用。本文探討了多種無線標準的特點。

　　關鍵詞：工業(yè)4.0；無線；ZigBee 3.0；mesh；LoRa

　　測量和控制數(shù)據(jù)的無線傳輸標準已有長足發(fā)展，這甚至使近期評論家們重新思考其立論“我們的系統(tǒng)必須正常運行——無線技術不夠安全”。但是，究竟哪種標準最合適，還是要取決于具體應用。

　　1 現(xiàn)場級別I：靠近工件，但必須靈活、自給自足且免維護

　　在較新的生產(chǎn)線上，第一批無需電纜和滑動觸點運作的傳感器和執(zhí)行器格外引人注目。它們安裝靈活，可以在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)全新的運動順序。先前，導致生產(chǎn)停頓的扁平電池一直是未安裝此類解決方案的最常見原因。但是現(xiàn)在，自供電的傳感器和執(zhí)行器經(jīng)受住了考驗。借助能量收集模塊，它們能將周圍的光能或熱量差異轉(zhuǎn)換為足夠的電能，從而能夠可靠地通過長達數(shù)百米的短距離無線連接發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果在任一時刻它無法從環(huán)境中獲取足夠的能量，則本地的能量存儲單元可確保數(shù)周無故障運行。除了1 GHz以下的EnOcean協(xié)議外，還可以使用2.4 GHz頻段上的藍牙5和ZigBee 3.0協(xié)議將傳感器和執(zhí)行器進行聯(lián)網(wǎng)。

　　ZigBee聯(lián)盟似乎從過去的錯誤中學到了經(jīng)驗。因此，3.0版本不僅用于Amazon Echo、Philips Hue、宜家Tr?dfri和Osram Lightfy，而且由于其規(guī)格，在工業(yè)領域中也很流行。兼容的EnOcean模塊組合可幫助ZigBee應用進行能量收集。像無線堆棧一樣，無線單元基于Nordic Semiconductor提供的半導體器件。對于直接的P2P連接或者與智能手機、平板電腦或筆記本電腦的交互使用，同樣可以使用藍牙連接，并且藍牙連接是完全自供電的。

　　如果需要更大的傳輸范圍，或者由于頻率計劃而無法在站點上使用2.4 GHz頻段，則EnOcean聯(lián)盟的EnOcean協(xié)議提供了可靠的選擇方案。這可以部署EnOcean模塊用于能量轉(zhuǎn)換和無線通信。作為分銷商，儒卓力與EnOcean GmbH、EnOcean Alliance以及Nordic Semiconductor合作。這意味著全行業(yè)的開發(fā)人員都可以找到解決方案，即便是針對特定軟件的改編和更復雜的問題。

　　2 現(xiàn)場級別II：隨時接收——在工廠大樓內(nèi)交叉鏈接

　　在更復雜的較大型網(wǎng)絡中，使用傳感器或執(zhí)行器連接到網(wǎng)關、集線器或邊緣計算機，這種看起來完美的解決方案（因其免維護且自給自足）很快達到了極限。特別是對于非時間同步的mesh拓撲，每個無線節(jié)點必須永久處于接收狀態(tài)，以便接收傳入的數(shù)據(jù)包并確保立即對其進行處理。這需要提供永久性的更密集能量。在固定無線節(jié)點的情況下，可以使用有線電源，而對于“浮動”無線節(jié)點，空中燃料充電技術是一種與Qi充電技術相比移動性更強的移動替代方案。而滿足不同需求的最佳折衷方法通常是傳統(tǒng)電池。

　　許多無線標準（例如藍牙Mesh、Wi-Fi Mesh和ANT Blaze）以往雖然都基于星形拓撲，但這幾年來都提供mesh拓撲。ZigBee、Thread和其他一些軟件從一開始就設計用于mesh網(wǎng)絡通信。Wi-Fi Mesh幾乎可以實現(xiàn)零電源管理，而上面提到的其他所有mesh系統(tǒng)充電一次即可工作數(shù)月。

　　與使用ZigBee控制LED光源的家居領域相比，很明顯，未布線的藍牙Mesh為倉庫和生產(chǎn)車間、開放式辦公室和走廊中的工業(yè)照明系統(tǒng)設定了標準。與專門路由數(shù)據(jù)包的傳統(tǒng)方法不同，mesh數(shù)據(jù)流可確保特別快速的反應和吞吐量時間。盡管如此，智能電話和類似產(chǎn)品仍可以集成到網(wǎng)絡中，與必須通過路由器才能連接IT設備的其他無線標準相比，它提供了另一個巨大的優(yōu)勢。

　　藍牙Mesh是理論上可以放置在任何藍牙4.0硬件上的中間層。但是，由于藍牙技術聯(lián)盟設定了最新的定價系統(tǒng)，因此在設計新系統(tǒng)時，最好使用最新的藍牙5或5.1硬件。儒卓力提供來自意法半導體、Redpine Signals、Nordic Semiconductor和Toshiba的帶有相關堆棧的半導體產(chǎn)品。如果你希望采用集成高頻電路和認證的解決方案，則可以選擇來自InsightSiP、佳明（Garmin）、松下、村田、Telit、富士通、云里物里（Minew）和Redpine Signal的藍牙Mesh模塊。

　　3 現(xiàn)場級別III：視野范圍之外，但緊密相連

　　在物流中心、火車站和港口等轉(zhuǎn)運點，遠程無線技術是首選方案。在使用公共和免許可證ISM頻段的技術中，LoRa技術已在大多數(shù)中歐國家中被認可。法國和荷蘭主要是因為其良好的網(wǎng)絡擴展而選擇了Sigfox技術。

　　但是，2019年出現(xiàn)了變化趨勢：根據(jù)地區(qū)和應用的不同，用于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的Cat M1和Cat NB1 4G標準已經(jīng)實現(xiàn)了強勁的增長。初始測試階段已經(jīng)進入批量生產(chǎn)。而LTE-M可用于可更換電池的跟蹤應用，LTE NB1消耗的能量則更少。

　　然而，許多國家正在擴展網(wǎng)絡，并且正在部署低功耗移動無線技術。德國移動無線供應商顯然主要集中在計量市場。由于已安裝的電表、氣表或水表不會移動，因此在連接期間無需更改移動無線單元。其他國家/地區(qū)的提供商則傾向于選擇跟蹤移動對象的應用，并且專注于擴展類別M1。大多數(shù)移動無線模塊制造商同時支持兩種網(wǎng)絡。儒卓力提供來自Telit、NordicSemiconductor、村田、Telic、研華的解決方案，并很快將提供來自其他特許經(jīng)營合作伙伴的產(chǎn)品。

　　像2G、3G和常規(guī)4G模塊一樣，LTE M1收發(fā)器也經(jīng)常與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）結(jié)合到一個外殼中，因為它們用于跟蹤和監(jiān)視集裝箱、車輛、高端商品、人與動物的位置和移動。位置必須通過移動無線網(wǎng)絡進行定義和傳輸。幾年前，GPS是個幾乎沒有競爭的導航系統(tǒng)。不過，俄羅斯Glonass和中國北斗系統(tǒng)成為了GNSS替代方案，盡管它們還沒有完全達到美國導航體系的標準。2019年歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)取得了突破，它已經(jīng)在數(shù)百萬部智能手機中成功運行了一段時間。2019年，伽利略系統(tǒng)決定免費提供更高的跟蹤精確度，因此在免費使用第一層數(shù)據(jù)方面，伽利略系統(tǒng)現(xiàn)在已領先于GPS系統(tǒng)。此外，伽利略是唯一提供身份驗證功能的系統(tǒng)。這確保了接收到的信號實際上來自伽利略系統(tǒng)而不是來自偽發(fā)射臺。但是，幾乎所有用戶都會被建議并行安裝盡可能多的導航系統(tǒng)。由于使用了更多的衛(wèi)星，所以大多數(shù)現(xiàn)代的多GNNS接收器都可以工作得更快速、更節(jié)能和更準確。然而，我們應該為將來的變化做好準備，在其中一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障時能及時做出反應。模塊中的NB1或M1調(diào)制解調(diào)器可用于更改固件設置。

　　對于使用帶有LoRa、Sigfox、Wi-Fi或藍牙的GNSS應用，必須確保在主機控制器中接入GNSS單元操作模式的相應選項。通常，創(chuàng)建一個NMEA控制命令，告訴接收器應該使用哪個系統(tǒng)以及忽略哪個系統(tǒng)就足夠了。此項遠程功能必須始終手動實現(xiàn)，在最壞的情況下，它可能會對應用造成災難性的影響，但也可以挽救生命或生意業(yè)務。

　　4 流程級別：歡迎使用第6代Wi-Fi

　　在處理級別，來自各個工作站的所有數(shù)據(jù)將被收集起來。通常，在現(xiàn)場級別傳感器上收集的數(shù)據(jù)并不能立刻使用。為了從中獲取信息，需要對數(shù)據(jù)進行最低程度的初步處理。對于許多應用而言，能夠比較并行接收的多個現(xiàn)場數(shù)據(jù)是有利的。另外可以建立精心設計的模式匹配算法，不僅可以與兩種靜態(tài)模式進行比較，但也需要不斷調(diào)整其參考值。為了應對這個問題以及類似的計算密集型任務，通常使用基于x86的重型系統(tǒng)。

　　目前這個趨勢朝互連方向發(fā)展，并且朝著從系統(tǒng)級別到無線技術的方向發(fā)展。但是，第6代Wi-Fi不僅比早期的Wi-Fi更快速，而且在為訂戶提供更好的連接管理方面也獨樹一幟，在專業(yè)安裝方案中的得分特別高。另一個優(yōu)點是在即將推出的5G網(wǎng)絡改善了頻率分配。通過與英特爾結(jié)為技術合作伙伴，儒卓力能夠從一開始就為其客戶提供面向市場的Wi-Fi 6解決方案。工業(yè)PC、面板PC和NUC對m.2 PC卡的需求特別大。

　　5 系統(tǒng)級別：取決于位置

　　系統(tǒng)級別的技術選擇在很大程度上取決于復雜性和當?shù)厍闆r，例如工廠現(xiàn)場的范圍或操作頻率計劃。對于較小的動態(tài)操作，Wi-Fi 6可以作為解決方案，而對于具有非常靜態(tài)安裝的較大型企業(yè)，有線解決方案仍將是合適方案。然而，一旦5G技術可用且價格可承受，就必須重新考量這些安裝。

　　6 運作級別：較早一代技術仍然是可行選擇

　　在不同工廠之間進行通信時，信息預先被壓縮得非常密集，因此傳統(tǒng)的LTE足以應付數(shù)據(jù)吞吐量和等待時間，即便在大型國際企業(yè)中也是如此。那些希望確保其有線現(xiàn)場互聯(lián)網(wǎng)連接的用戶，已經(jīng)可以經(jīng)由LTE路由器通過移動無線技術傳輸重要的關鍵運營數(shù)據(jù)。

　　在用戶選擇現(xiàn)場級別的情況下，這是單個傳感器數(shù)據(jù)的問題，通常主要針對較低的LTE類別，在運作級別上，有可能選擇LTE類別6或更高級別。功耗和調(diào)制解調(diào)器的價格可以忽略，因為計算機始終使用主電源運行，并且僅使用了很少的LTE調(diào)制解調(diào)器或LTE路由器。Telit、Telic和研華提供PC卡、外部調(diào)制解調(diào)器和路由器等解決方案。例如，一個單獨的整體解決方案可以與英特爾或華碩服務器結(jié)合使用，后者配置有Telit的LTE調(diào)制解調(diào)器和英特爾的WiFi 6卡。

　　7 無線自動化的更多發(fā)展趨勢

　　另一項技術在終端用戶智能手機領域取得成功之后，也在工業(yè)環(huán)境中取得了進展。13.56 MHz RFID技術可實現(xiàn)有源閱讀器與無源應答器之間以及兩個有源閱讀器之間的安全交換。由于它幾乎與所有現(xiàn)代平板電腦和智能手機兼容，因此可以使用經(jīng)濟型的標準硬件。通常不需要部署較昂貴的特殊設備，例如RFID電子槍。除了低硬件成本之外，它還提供了軟件編程優(yōu)勢。

　　對于那些希望使用RFID實現(xiàn)更長距離讀取或一次性掃描多個應答器的應用，仍然需要使用其他頻率或者在有源系統(tǒng)上進行查看。在這種情況下，應答器不是由讀取器的電磁場提供電能的，而是通過負載耦合進行通信的，不過它們具有自己的電源（通常是電池或太陽能），并且基于藍牙或類似的專有無線協(xié)議在2.4 GHz頻段中進行通信。

　　在既不使用固定電纜也不進行能量收集的情況下，即使是低功耗藍牙之類的經(jīng)濟型無線連接也會很快耗盡電池，因此越來越多的工業(yè)應用選擇了ANT協(xié)議。例如，第一個飛行時間傳感器不久將可用于高精度距離映射，而這要求的功耗很低。

　　此外，ANT在大多數(shù)安卓智能手機都是出廠時可用的，并且采用多協(xié)議SoC解決方案的設備可以在藍牙網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)流量，而不會產(chǎn)生進一步的硬件成本。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第29頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。