【技术】无线IIoT：迈向下一代工业互联

时间： 2019-03-17 来源：Silicon Labs

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制造业、电力传输和公用事业（燃气、电、水）等工业部门的运营和环境条件总是对互连构成挑战。当存在清晰明确的网络需求时，通常使用有线连接，从而确保关键任务系统的可靠性。无线更多用于提供临时点对点连接，尤其是在有线基础设施缺乏或不易实现的工业环境中。从历史上看，两种网络类型互连在一起并不常见，但互联网改变了这一切。

虽然有线网络通常符合行业标准，但早期的无线解决方案往往使用某种形式的专有协议。然而当前的情况已经转变，基于公认标准的无线网络正在挑战“旧有方式”，并将取代有线网络连接，且有充分的理由。无线网络提供了有线解决方案的许多优势，并增加了许多新的可能性，例如更高的移动性、灵活性，更简单的网络管理以及更低的构建成本。无线HART是工业领域中使用最广泛的无线技术之一，它从其早先的硬连线技术发展而来，专门用于流程自动化。随着需求的变化，其他无线协议的使用也在增加。工业物联网（IIoT）将可能通过无线网络实现，并且有很多种方案选择，那么从中选择正确的方案就会具有挑战性。这里提供一些对比，有助于简化决策过程。

有线还是无线？

随着自动化的发展，人们需要拓展到更宽广的视野，例如全球需求、本地物流和整体供应链。管理所有这些数据的流动需要新的网络拓扑，而今天的大多数网络都是基于数据包的。每个数据包中是一个有效载荷（数据），通常在头部（路由信息）之后，尾部（包含有用的信息，如纠错）之前。

这种基本格式存在于有线和无线网络中。延迟和带宽等参数用于评估网络提供数据的能力，随着工业变得更加自动化和分散化，这变得更加重要。对于无线网络，还需要考虑其他重要参数，例如覆盖范围、稳健性和功耗等。

功耗是无线IIoT网络中的重要考虑因素。对于有线网络，驱动连接所需的电力实际上可以由连接本身来提供。但是，对于无线网络，需要额外提供或收集电力。这意味着功耗是无线IIoT网络的关键考虑因素。因此，无线IIoT设备必须在输出功率、占空比和吞吐量等方面进行权衡。

覆盖范围与无线网络的操作频率密切相关。那些在sub-GHz范围内工作的器件通常具有比在2.4GHz范围内工作的器件更大的覆盖范围（对于给定的功率而言）。但是，无线网状网络可以帮助扩展2.4GHz的覆盖范围，有许多流行的网状技术，例如Zigbee、Thread和Bluetooth Mesh等。由于标准和2.4 GHz频段的采用，这些协议对IIoT的未来也很重要。因此，预计IIoT将采用运行在2.4GHz和sub-GHz频段的协议。

互联网协议（IP）考虑因素

无线IIoT网络的根本目的是可靠地传输数据，因此IP变得越来越重要。IP提供了更强的互操作性，更易于访问及数据管理。Thread和6LoWPAN使用与互联网部分相同的IP格式，这使得使用传统互联网技术去寻址特定端点变得更加简单。基于Zigbee的网络（不支持IP）将需要网关在两个域之间转换消息。但是，有更多流行的网关和集线器将Zigbee桥接到互联网，从而可以轻松访问Zigbee网络中包含的设备和数据。

网状技术

目前，许多协议都支持网状技术，包括Bluetooth、Zigbee、Thread和Z-Wave（在互联家居中很流行）。网状网络通过允许近距离的设备成为网络传输中活动路径的一部分来扩展无线网络的覆盖范围。实际上，数据包可能有多条路径通过网状网络，但路径选择取决于现实条件。例如，当节点之间的通信由于干扰、信号丢失或设备故障而中断时，两个节点可能正在通信。这时，该消息不会由于通信路径中断而终止传输，而是简单地寻找附近的另一个节点并继续正常传输。网状网络的这种自我修复能力是其强大的优势之一。在IIoT中，设备可以被移动、添加、循环或移除，这种“无须动手”的方法对于网络管理来说非常有用。

网状网络的自我修复特性还提供了一个能够应对恶劣环境的更强大的网络。例如，包含大量金属设备的工厂将产生射频信号多径及更多的信号衰减。网状网络允许信号通过这样的环境找到最佳路径。

远程通信

网状网络的替代方案是星形拓扑（参见图1），其中每个节点直接与网关通信。这是低功率广域网（LPWAN）（例如LoRa和Sigfox）以及诸如NB-IoT和LTE-M的蜂窝变体所采用的方法。通过在sub-GHz频段工作并保持数据带宽相对较低（每条消息数十比特位），LPWAN能够实现数十公里的覆盖范围。这些技术非常适用于智能城市和远程监控等新兴基础设施，其中节点之间的距离很大，但交换的数据相对较少。但是，它们并不太适合智能工厂，这是因为对于智能工厂来说，带宽和延迟性能比覆盖范围更加重要。

图1 星形与网状网络拓扑的比较

多协议无线电

由于sub-GHz技术在工业环境中具有超越2.4 GHz频谱的优势和好处，因此IIoT更多采用sub-GHz技术。专有协议在sub-GHz频段的普及仍然很强，部分原因要归于传统技术的普及。

正如有线和无线技术的组合曾经是实现最佳连接的理想方式，如今解决方案可能不是选择单一无线技术，而是结合两者的优势及效益。工作在sub-GHz频段的协议提供了许多好处，但可能仅能提供有限的带宽，并且必须通过专用无线电与设备通信。Bluetooth LowEnergy可提供高达2Mb/s的带宽，并为PC、笔记本电脑、平板电脑和智能手机等标准设备提供简单的接口。选择支持Bluetooth和sub-GHz连接的集成多协议解决方案（参见图2示例），不仅可以提供基于标准的2.4 GHz连接，而且可用于与采用sub-GHz技术的机器对机器（M2M）网络进行人机交互。

图2 多协议技术简化了对sub-GHz网络中智能电表等设备的蓝牙控制

世界各地的公司和市政当局正在认识到无线连接为工业环境带来的好处。现在生成的可用于改进流程和提高生产率的数据量是不可否认的，而工厂、城市、办公室和家居更智能的运营需求同样明显。IIoT将超越传感器和驱动器，为实现全球互联提供所需的云连接和大数据。每个行业都将受益于这场革命，每个人也都将受益。

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