作者/Matt Maupin(Silicon Labs高級產品經理)

　　摘要：制造業、電力傳輸和公用事業(燃氣、電、水)等工業部門的運營和環境條件總是對互連構成挑戰。當存在清晰明確的網絡需求時，通常使用有線連接，從而確保關鍵任務系統的可靠性。無線更多用于提供臨時點對點連接，尤其是在有線基礎設施缺乏或不易實現的工業環境中。從歷史上看，兩種網絡類型互連在一起并不常見，但互聯網改變了這一切。

　　關鍵詞：無線;IIoT;工業;互聯

　　引言

　　雖然有線網絡通常符合行業標準，但早期的無線解決方案往往使用某種形式的專有協議。然而當前的情況已經轉變，基于公認標準的無線網絡正在挑戰“舊有方式“，并將取代有線網絡連接，且有充分的理由。

　　無線網絡提供了有線解決方案的許多優勢，并增加了許多新的可能性，例如更高的移動性、靈活性，更簡單的網絡管理以及更低的構建成本。無線HART是工業領域中使用最廣泛的無線技術之一，它從其早先的硬連線技術發展而來，專門用于流程自動化。隨著需求的變化，其他無線協議的使用也在增加。工業物聯網(IIoT)將可能通過無線網絡實現，并且有很多種方案選擇，那么從中選擇正確的方案就會具有挑戰性。在這里，我們提供一些對比，有助于簡化決策過程。

　　1 有線還是無線?

　　隨著自動化的發展，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鏈。管理所有這些數據的流動需要新的網絡拓撲，而今天的大多數網絡是基于數據包的。每個數據包中是一個有效載荷(數據)，通常在頭部(路由信息)之后、尾部(包含有用的信息，如糾錯)之前。

　　這種基本格式存在于有線和無線網絡中。延遲和帶寬等參數用于評估網絡提供數據的能力，隨著工業變得更加自動化和分散化，這變得更加重要。對于無線網絡，還需要考慮其他重要參數，例如覆蓋范圍、穩健性和功耗等。

　　功耗是無線IIoT網絡中的重要考慮因素。對于有線網絡，驅動連接所需的電力實際上可以由連接本身來提供。但是，對于無線網絡，需要額外提供或收集電力。這意味著功耗是無線IIoT網絡的關鍵考慮因素。因此，無線IIoT設備必須在輸出功率、占空比和吞吐量等方面進行權衡。

　　覆蓋范圍與無線網絡的操作頻率密切相關。那些在sub-GHz范圍內工作的器件通常具有比在2.4 GHz范圍內工作的器件更大的覆蓋范圍(對于給定的功率而言)。但是，無線網狀網絡可以幫助擴展2.4 GHz的覆蓋范圍，有許多流行的網狀技術，例如Zigbee、Thread和Bluetooth Mesh等。由于標準和2.4 GHz頻段的采用，這些協議對IIoT的未來也很重要。因此，預計IIoT將采用運行在2.4 GHz和sub-GHz頻段的協議。

　　2 互聯網協議(IP)考慮因素

　　無線IIoT網絡的根本目的是可靠地傳輸數據，因此IP變得越來越重要。IP提供了更強的互操作性，更易于訪問及數據管理。Thread和6LoWPAN使用與互聯網部分相同的IP格式，這使得使用傳統互聯網技術去尋址特定端點變得更加簡單。基于Zigbee的網絡(不支持IP)將需要網關在兩個域之間轉換消息。但是，我們正在看到更多流行的網關和集線器將Zigbee橋接到互聯網，從而可以輕松訪問Zigbee網絡中包含的設備和數據。

　　3 網狀技術

　　目前，許多協議都支持網狀技術，包括Bluetooth、Zigbee、Thread和Z-Wave(在互聯家居中很流行)。網狀網絡通過允許近距離的設備成為網絡傳輸中活動路徑的一部分來擴展無線網絡的覆蓋范圍。實際上，數據包可能有多條路徑通過網狀網絡，但路徑選擇取決于現實條件。例如，當節點之間的通信由于干擾、信號丟失或設備故障而中斷時，兩個節點可能正在通信。這時，該消息不會由于通信路徑中斷而終止傳輸，而是簡單地尋找附近的另一個節點并繼續正常傳輸。網狀網絡的這種自我修復能力是其強大的優勢之一。在IIoT中，設備可以被移動、添加、循環或移除，這種“無須動手”的方法對于網絡管理來說非常有用。

　　網狀網絡的自我修復特性還提供了一個能夠應對惡劣環境的更強大的網絡。例如，包含大量金屬設備的工廠將產生射頻信號多徑及更多的信號衰減。網狀網絡允許信號通過這樣的環境找到最佳路徑。

　　4 遠程通信

　　網狀網絡的替代方案是星形拓撲(參見圖1)，其中每個節點直接與網關通信。這是低功率廣域網(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。通過在sub-GHz頻段工作并保持數據帶寬相對較低(每條消息數十比特)，LPWAN能夠實現數十公里的覆蓋范圍。這些技術非常適用于智能城市和遠程監控等新興基礎設施，其中節點之間的距離很大，但交換的數據相對較少。但是，它們并不太適合智能工廠，這是因為對于智能工廠來說，帶寬和延遲性能比覆蓋范圍更加重要。

　　5 多協議無線電

　　由于sub-GHz技術在工業環境中具有超越2.4 GHz頻譜的優勢和好處，因此IIoT更多采用sub-GHz技術。專有協議在sub-GHz頻段的普及仍然很強，部分原因要歸于傳統技術的普及。

　　正如有線和無線技術的組合曾經是實現最佳連接的理想方式，如今解決方案可能不是選擇單一無線技術，而是結合兩者的優勢及效益。工作在sub-GHz頻段的協議提供了許多好處，但可能僅能提供有限的帶寬，并且必須通過專用無線電與設備通信。Bluetooth Low Energy可提供高達2 Mb/s的帶寬，并為PC、筆記本電腦、平板電腦和智能手機等標準設備提供簡單的接口。選擇支持Bluetooth和sub-GHz連接的集成多協議解決方案(參見圖2示例)，不僅可以提供基于標準的2.4 GHz連接，而且可用于與采用sub-GHz技術的機器對機器(M2M)網絡進行人機交互。

　　6 結論

　　世界各地的公司和市政當局正在認識到無線連接為工業環境帶來的好處。現在生成的可用于改進流程和提高生產率的數據量是不可否認的，而工廠、城市、辦公室和家居更智能的運營需求同樣明顯。IIoT將超越傳感器和驅動器，為實現全球互聯提供所需的云連接和大數據。每個行業都將受益于這場革命，每個人也都將受益。

　　作者簡介：

　　Matt Maupin，負責EFR32 Wireless Gecko產品。他在半導體行業有超過15年的無線連接工作經驗，包括Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee以及2.4 GHz和sub-GHz頻段的專有解決方案。Maupin先生一直活躍于無線通信的眾多行業組織，包括Bluetooth、Zigbee和IEEE。

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第3期第15頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處