【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

代理服务

技术支持

采购服务

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。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 11
| 转发至：

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

学习
ken669 Lv6. 高级专家 2019-06-19

学习
wch7475 Lv8. 研究员 2019-06-17

学习
闲云 Lv7. 资深专家 2019-06-17

好文章，学习了
duanmaxie Lv8. 研究员 2019-06-17

学习

用户56731903 Lv9. 科学家 2019-06-17

学习一下！！！
沧桑岁月 Lv8. 研究员 2019-06-17

学习
累了 Lv7. 资深专家 2019-06-17

看看
学习 Lv4. 资深工程师 2019-06-16

学习
Leel Lv7. 资深专家 2019-06-14

学习一下

展开更多评论

【技术】一文看懂如何正确选择物联网无线技术：低功耗蓝牙、蓝牙Mesh、Zigbee、Thread、Z-Wave、Wifi

无线连接是物联网终端节点设计的关键部分。物联网中重要且普及的连接方式包括低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）、蓝牙Mesh、Zigbee、Thread、Z-Wave、Wi-Fi和各种采用Sub-GHz频段的专有协议。物联网设备有许多应用场景，需要拥有各种连接能力。

2019-07-18 - 新技术代理服务技术支持采购服务

【技术】15.4 Mesh网络（Zigbee和Thread协议）设计与应用探讨

网络特性、规模大小、性能和成本的平衡，以及能否同时在一个设备上支持双协议——这些是开发人员在选用无线标准解决方案时要考虑的因素。在本文中，Silicon Labs的无线技术工程专家为开发人员详细介绍了如何开始使用15.4 Mesh网络(Zigbee和Thread协议)，以及选用适当的工具和平台时需要了解的内容。

2020-07-24 - 新技术代理服务技术支持采购服务

Thread开启智能家居新时代

无线标准的技术适应性，取决于它的意识，方便性，互操作性和质量。Thread栈的开放性降低了使用网状网络的门槛，这会使得更多工程师，开发者和创客们开发出创新的、有趣的智能家居应用。

2016-08-15 - 新技术代理服务技术支持采购服务

芯科科技携手东胜物联提升Sub-GHz网关和智能安防产品开发，互联互通更可靠到位

芯科科技携手东胜物联提升Sub-GHz网关和智能安防产品开发，互联互通更可靠到位。通过芯科科技EFR系列多协议无线SoC产品和相关软件开发工具的支持，东胜物联推出了一系列无线模块及可编程和多协议物联网网关设备，可广泛涵盖最新版本的蓝牙、Sub-GHz、Zigbee、Z-Wave和Matter等热门无线协议的网络连接设计。

2024-01-12 - 原厂动态

AN1418:在片上系统上同时运行ZigBee、OpenThread和Bluetooth®

描述- 本文档详细介绍了如何在系统级芯片（SoC）上同时运行Zigbee、OpenThread和蓝牙网络栈，以及Zigbee应用层。主要内容包括：如何通过一个名为Z3Light的Zigbee路由器和OpenThread FTD（全线程设备）实现Zigbee和OpenThread协议栈的并发运行；如何在CMP应用中使用实时操作系统（RTOS）进行任务调度；如何通过CLI命令对OpenThread网络进行配置和操作；如何将Zigbee应用转换为Zigbee-OpenThread CMP应用，并添加蓝牙功能。

2024/9/11 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 0.3 代理服务技术支持采购服务查看更多版本

【经验】浅析Zigbee射频测试相关标准

Zigbee是很多公司目前在使用的技术，部分厂家采用现成的模组，还有大部分公司选择Layout出自己的产品。无论哪种方式，射频测试都是必须要进行的。

2018-02-26 - 设计经验代理服务技术支持采购服务

AN307：EFR32无线通信模块——Zigbee（OTA客户端配置）

描述- EFR32无线通信模块，是由世强独立研发，供客户测试评估蓝牙、Zigbee、Thread、蓝牙Mesh及私有协议的平台，也可以直接嵌入到产品中做应用，同时，可以在平台上搜索到关于模块的所有资源，包括原理图、Layout。

型号- EFR32

SEKORM,EPSON,KEYSIGHT,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,SGMICRO,MURATA - 用户指南

Z-Wave和Z-Wave远程700/800 SDK 7.21.2 GA Gecko SDK Suite 4.4

描述- 本资料介绍了Z-Wave和Z-Wave Long Range 700/800 SDK 7.21.2 GA版本，以及Gecko SDK Suite 4.4。该SDK旨在满足未来智能家居的需求，提供长距离和低功耗的解决方案。资料强调了Z-Wave生态系统的互操作性、安全性和易用性，并详细说明了SDK的关键特性、兼容性、安全更新和未来变化。此外，还提供了关于支持的无线电板、Z-Wave协议、Z-Wave Plus V2应用框架、认证应用程序、预认证应用程序和串行API应用程序的详细信息。

April 10, 2024 - SILICON LABS - 开发环境(软件/固件) 代理服务技术支持采购服务

请问芯科平台上SoC Zigbeedirect Device light demo 是否可以過到Zigbee 3.0 + Zigbee Direct 認證 ?

2024-07-15 - 技术问答代理服务技术支持采购服务

AN1333:在带有多协议协处理器的Linux主机上同时运行ZigBee、OpenThread和蓝牙

描述- 本文档介绍了如何在Linux主机上同时运行Zigbee EmberZNet、OpenThread和蓝牙网络栈，并通过单一的多协议多PAN支持的单芯片射频协处理器（RCP）与它们进行交互。文档涵盖了系统架构、软件组件配置、硬件设置以及如何构建和使用相应的应用程序。特别强调了并发监听功能，允许在特定型号的RCP上独立操作不同的802.15.4信道。此外，还提供了详细的步骤来设置EFR32协处理器和主机环境，包括编译必要的软件组件和应用示例。

型号- EFR32XG24,EFR32XG21,EFR32

2024/5/25 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 1.3 代理服务技术支持采购服务查看更多版本

AN1333:在带有多协议协处理器的Linux主机上同时运行ZigBee、OpenThread和蓝牙

描述- 本文档详细介绍了如何在Linux主机处理器上同时运行Zigbee EmberZNet、OpenThread和Bluetooth网络栈，并通过单一的多协议多PAN支持EFR32无线电协处理器（RCP）进行接口连接。主要内容包括系统架构、EFR32软件、主机软件、系统设置、配置文件和运行主机应用程序。文档还涉及了如何设置EFR32协处理器和主机，以及如何在Linux主机上运行Zigbee EmberZNet、OpenThread和BlueZ栈。此外，还描述了如何在EFR32上作为网络协处理器（NCP）运行Zigbee，同时与OpenThread RCP或Bluetooth NCP一起运行。

型号- EFR32

2023/9/29 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 1.1 代理服务技术支持采购服务

AN1333:在带有多协议协处理器的Linux主机上同时运行ZigBee、OpenThread和蓝牙

描述- 本文档详细介绍了如何在Linux主机处理器上同时运行Zigbee EmberZNet、OpenThread和Bluetooth网络栈，并通过单一的多协议多PAN支持EFR32无线电协处理器（RCP）进行接口连接。主要内容包括系统架构、系统设置、配置文件和运行主机应用程序的步骤。该解决方案适用于希望在其Linux主机处理器上运行三种协议组合的网关产品，并允许Zigbee堆栈作为网络协处理器（NCP）与OpenThread RCP并行运行。

型号- EFR32

2022/9/9 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 0.7 代理服务技术支持采购服务

AN1333:在带有多协议协处理器的Linux主机上同时运行ZigBee、OpenThread和蓝牙

描述- 本文档详细介绍了如何在Linux主机处理器上同时运行Zigbee EmberZNet、OpenThread和Bluetooth网络栈，并通过单一的多协议和多功能PAN支持的EFR32无线电协处理器（RCP）进行接口连接。主要内容包括系统架构、系统设置、配置文件和运行主机应用程序的步骤。该解决方案旨在为网关产品提供灵活的协议组合，并允许现有Zigbee主机应用程序在Zigbee栈运行在主机上时继续运行。

2022/9/2 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 0.6 代理服务技术支持采购服务

AN1333:在带有多协议协处理器的Linux主机上同时运行ZigBee、OpenThread和蓝牙

2022/6/9 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 0.6 代理服务技术支持采购服务

AN308：EFR32无线通信模块——Zigbee（OTA操作）

型号- EFR32

SEKORM,EPSON,KEYSIGHT,LITTELFUSE,LAIRD,SILICON LABS,SGMICRO,MURATA - 用户指南

请注意，Z-Wave产品在不同的国家采用不同的不同频率

z-wave是一种支持mesh路由的标准低功耗无线网络，适用于智能家居，每个网络最多可以加入232个设备。采用1GHz以下的频率，室外条件下，每一跳的通信距离通常可以达到100M, 在网络中通信可以得到扩展至200M。是和zigbee一样的主流的智能家居无线通信协议之一。不同的是zigbee在全球范围可以使用2.4GHz通用频段，而z-wave则在不同国家采用不同频率。

2019-04-02 - 设计经验代理服务技术支持采购服务

Silicon Labs Unveils World‘s First Secure Sub-GHz SoCs With 1+ Mile Wireless Range And 10+ Year Battery Life

Silicon Labs (NASDAQ: SLAB) today announces new sub-1-GHz (sub-GHz) SoCs, delivering the world‘s first sub-GHz wireless solutions that combine long-range RF and energy efficiency with certified Arm PSA Level 3 security to meet the global demand for high-performance, battery-powered IoT products.

2024-03-17 - 产品代理服务技术支持采购服务

Wifi, Ble, ZigBee, Zwave来比较，哪个互操作性最好

互联互通是智能家居生态能够存在和发展的基石，但许多公司的产品却在这个方面没有付出相应的努力，或者有些公司自行设立的自己的标准，导致目前市场许多产品实际上互操作性很差，其中wifi, 蓝牙设备都主要采用私有标准，未认证的zigbee设备一般，zigbee 3.0比较不错，最好的则是z-wave。自第一代产品发布，所有产品强制认证，因此发展多年后，产品的互操作性是目前最好的。

2019-03-26 - 设计经验代理服务技术支持采购服务