【技术】工业互联网 IIoT有线和无线网络技术的选择

时间： 2019-06-07 来源：Silicon Labs

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在制造业、配电及公用事业(天然气、电力、水)等工业领域，运营和环境条件是互连应用的重要挑战。在清晰明确的网络架构下，通常使用有线连接来确保关键任务系统的可靠性。而无线连接应用于弹性的点对点连接，在缺乏有线基础设施或不易改变的工业环境中尤为常见。过去，这两种网络类型通常不会同时出现，但互联网的发展改变这一切。

有线网络通常会遵循工业标准，早期的无线解决方案则采用某种形式的专有协议。但如今情况已经改变，符合公认标准的无线网络正在挑战这些「旧有方式」，并将取代有线网络连接，这是有充分理由的。无线网络为有线解决方案带来不少优势并开创更多可能，例如更佳的移动性、灵活性、简便的网络管理以及节省建构成本。工业领域使用最广泛的无线技术之一：Wireless HART，便是从早期应用于自动控制的固线式技术发展而来。随着需求变化，其他无线协议的使用也在增加。藉由无线网络实现工业物联网(IIoT)，在众多的选择中挑选出最适宜的解决方案也成为一种挑战。在此我们比较这两种技术的特性，有助使用者简化决策过程。

有线还是无线？

随着自动化的发展，人们需要结合更广泛的考量，例如全球化需求、所在地物流和整体供应链。管理这些资料的传输需要经由网络拓扑，目前大多数网络的传输都以封包为基础。每个封包传递负载(资料)，通常介于标头(路由讯息)和标尾(包含有用的信息如错误修正)之间。有线网络和无线网络皆存在这些基础格式，测量延迟和带宽的参数，可用来评估网络的传输资料能力，随着工业自动化和分散化发展，这将变得更加重要。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网络中的重要考量。有线网络驱动连接所需的电量，可以由连接线路本身提供，而无线网络的驱动，则需要额外提供或撷取电力。这意味着功耗是无线IIoT网络的关键考量。因此，无线IIoT设备必须在输出功率、运作周期和传输量等方面进行权衡。

无线网络的覆盖范围与运行频率密切相关，采用sub-GHz频段的装置通常比采用2.4GHz频段运作的装置，覆盖更广泛的范围(在既定的功率之下)。但是，无线网状网络为2.4GHz频段延伸了覆盖范围，常见的网状网络技术例如Zigbee、Thread和Bluetooth Mesh等。由于这些标准和2.4GHz频段被广为采用，这些协议对IIoT的未来显得相当重要。因此，2.4GHz和sub-GHz频段运作的协议都会被用于IIoT。

互联网协议(IP)的考量

无线IIoT网络的根本目的是可靠地传输资料，因此IP变得越来越重要。IP提供了更强的互通性、更容易存取和管理资料。Thread和6LoWPAN支持与其他网络相同的互联网协议(IP)基础，让使用传统互联网技术去定址各个端点变得更加简单。Zigbee基础网络(不支援IP)需要透过网关，才能在网域之间转换讯息，目前市面上有许多网关和集线器能将Zigbee桥接到互联网，轻松连接Zigbee网络的装置和资料。

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(在智慧家庭相当盛行)。网状网络连接附近装置组成网络活动路径，来扩展无线网络的覆盖范围。实际上，数据封包可经由多条路径通过网状网络，而路径的选择取决于实际条件。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，节点的传输不会因为通讯路径中断而被终止，而会寻找附近的节点继续传输。网状网络的这种自我修复连线能力是其强大的优势之一。在IIoT中，设备可以随时被移动、添加、周期循环或移除，这种「无需动手」的功能对网络管理相当实用。

在恶劣环境中网状网络这种自我修复特性能够维持强健的网络。例如，工厂内大量的金属设备会造成RF讯号产生多条传输路径，且讯号衰减，而网状网络能让讯号在这样的环境中找到最佳路径。

远距通讯

网状网络的替代方案是星状拓扑(详下图1)，每个节点可以直接与网关通讯。这是低功耗广域网路(LPWAN)如LoRa、Sigfox，以及NB-IoT和LTE-M等蜂巢式网络所采用的方法。运作sub-GHz频段并维持相对的数据窄频，LPWAN能达到数十公里的覆盖范围。这些技术非常适用于智慧城市和远距监控等新兴基础设施，节点之间的距离很远，但传输资料量相对较低。但是，不见得适合应用于智慧工厂，因为在智慧工厂中，带宽和延迟性能比覆盖范围更加重要。

图1. 星状与网状网络拓扑的比较

多协议无线通讯

在工业环境中，采用sub-GHz频段相较于2.4GHz频段拥有更多技术优势，因此IIoT通常采用sub-GHz技术。专有协议在sub-GHz频段相当盛行，传统技术的普及也是部分原因。

有线和无线技术的结合，曾经是一种最理想的连接方式，如今，解决方案不仅是选择单一无线技术，而是结合两者的优势和特长。采用sub-GHz频段协定能带来许多好处，但可能受限于频宽，而且必须透过专用无线电与设备通讯。低功耗蓝牙技术可高达2Mb/s传输速率，并为PC、笔记型计算机、平板计算机和智能型手机等标准设备提供简单的界面。选择整合Bluetooth和sub-GHz连接的多协议解决方案(详图2范例)，可支援2.4GHz连接标准，并适用sub-GHz技术的机器对机器(M2M)网络进行人机互动。

图2. 多协议技术简化sub-GHz网络中对智慧电表等设备的蓝牙控制

世界各地的公司和政府机关都发现无线连接为工业环境带来许多好处，其产生的数据对改善制程和提高生产率的作用是不可否认的，而工厂、城市、办公室和家庭更加智慧化的需求也同样明显。IIoT将不只是传感器和驱动器，为实现全球互联网也需提供云端连接和大数据。各个产业和每个人都将受益于这项革新。

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本文由成雷转载自Silicon Labs，原文标题为:無線IIoT：邁向下一代工業互聯網，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

全部评论（11）

远风 Lv7. 资深专家 2020-07-06

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ken669 Lv6. 高级专家 2019-06-19

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wch7475 Lv8. 研究员 2019-06-17

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闲云 Lv7. 资深专家 2019-06-17

好文章，学习了
duanmaxie Lv8. 研究员 2019-06-17

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用户56731903 Lv9. 科学家 2019-06-17

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沧桑岁月 Lv8. 研究员 2019-06-17

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累了 Lv7. 资深专家 2019-06-17

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学习 Lv4. 资深工程师 2019-06-16

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Leel Lv7. 资深专家 2019-06-14

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