簡介

工業(yè)聯(lián)網(wǎng)機器可以感知眾多信息，以用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中的關鍵決策。邊緣節(jié)點中的傳感器可以在空間上遠離任何數(shù)據(jù)聚合點。它必須通過將邊緣數(shù)據(jù)連接到網(wǎng)絡的網(wǎng)關進行連接。傳感器構成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的前端邊緣。測量階段將檢測到的信息轉換為壓力、位移、旋轉等可量化數(shù)據(jù)?？梢詫?shù)據(jù)進行過濾，只連接節(jié)點以外最有價值的信息，以便進行處理。在低延遲連接條件下，只要關鍵數(shù)據(jù)可用即可作出關鍵決策。

檢測、測量、解讀、連接

邊緣節(jié)點一般必須通過有線或無線傳感器節(jié)點 (WSN) 連接到網(wǎng)絡。在信號鏈的這一部分中，數(shù)據(jù)完整性仍然十分關鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，則優(yōu)化檢測和測量數(shù)據(jù)幾乎沒有價值。理想情況下，要在系統(tǒng)架構設計期間預先設計魯棒的通信協(xié)議。最佳選擇取決于連接要求：范圍、帶寬、功率、互操作性、安全性和可靠性。

有線設備

在連接的魯棒性至關重要的情況下(如 EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET 和 ModbusTCP)，工業(yè)有線通信發(fā)揮著關鍵作用。遠距離傳感器節(jié)點可以用無線網(wǎng)絡向網(wǎng)關回傳信息，網(wǎng)關則依賴有線基礎設施。數(shù)量較少的連網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點會一律使用有線通信，因為多數(shù)這些設備會采用無線連接。借助有效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接策略，可以將傳感器安裝在可以檢測到有價值信息的任何地方，不僅是現(xiàn)有的通信設施和電源基礎設施所在之處。

傳感器節(jié)點必須有與網(wǎng)絡通信的方法。以太網(wǎng)在有線領域占據(jù)主導，因為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架把更高層的協(xié)議映射于這類連接上。具體的以太網(wǎng)實施方案的速率范圍為 10 Mbps 至 100 Gbps 及以上。高速率通常面向互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)，用于連接云中的服務器群。1

KNX一類的低速工業(yè)網(wǎng)絡是基于雙絞線，采用差分信令模式傳輸數(shù)據(jù)，電源電壓為 30 V，總帶寬為 9600 bps。雖然每段只能支持數(shù)量有限的地址 (256)，但尋址最高可支持 65,536 臺設備。最大分段長度為 1000 米，可選線路中繼器，最多支持 4 段。

工業(yè)無線網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)

在考慮采用哪種通信和網(wǎng)絡技術時，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線系統(tǒng)設計師面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，需要高度重視以下制約條件：

?范圍

?間歇性連接與連續(xù)性連接

?帶寬

?功率

?協(xié)同能力

?安全性

?可靠性

范圍

范圍指接入網(wǎng)絡的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備傳輸數(shù)據(jù)的距離。以米為單位的短程個人局域網(wǎng) (PAN) 可以用于通過 BLE 進行設備調試的情況。長達數(shù)百米的局域網(wǎng) (LAN) 則可用于安裝在同一棟建筑中的自動化傳感器。廣域網(wǎng) (WAN) 以千米為單位，其應用包括安裝在大型農場里的農用傳感器。

圖 1.短程無線連接。

選擇的網(wǎng)絡協(xié)議應與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的具體應用案例要求的范圍相匹配。例如，對于工作距離為數(shù)十米的室內局域網(wǎng)應用，4G 蜂窩網(wǎng)絡在復雜程度和功率方面就不合適。在要求范圍內傳輸數(shù)據(jù)有困難時，邊緣計算不失為一種替代方案。在邊緣節(jié)點進行數(shù)據(jù)分析，而不是把數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌攸c進行處理。

發(fā)射的無線電波在功率密度方面遵循平方反比定律。信號功率密度與無線電波傳輸距離的平方反比成比例。傳輸距離增加一倍，無線電波只能維持最初功率的四分之一。發(fā)射輸出功率每增加 6 dBm，可能傳輸范圍就會增加一倍。

在理想的自由空間里，平方反比定律是影響傳輸范圍的唯一因素。然而，墻、柵欄、植物等障礙物會減小現(xiàn)實范圍?？諝鉂穸瓤赡軙丈漕l能量。金屬物可能會反射無線電波，導致次要信號在不同時間到達接收器端，形成具有破壞性的干擾，進一步導致功率下降。

無線電接收器的靈敏度決定了可以實現(xiàn)的最大信號路徑損耗。例如，在 2.4 GHz 工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 頻段中，接收器的最低靈敏度為–85 dBm。射頻輻射器的能量全向均勻傳播，形成一個球體 (A = 4πR2)，其中，R 為從發(fā)射器到接收器的距離，單位為米。自由空間功率損失 (FSPL) 與發(fā)射器與接收器之間的距離的平方以及基于 Friis 傳輸方程集的射頻信號頻率的平方成比例。2

其中，Pt = 發(fā)射功率，單位為瓦特，S = 距離 R 時的功率

其中，Pr = 接收功率，單位為瓦特

λ (發(fā)射波長，單位為米)= c(光速)/f (Hz) = 3 × 108 (m/s2)/f(Hz)或300/f (MHz)

其中，f = 發(fā)射頻率

給定已知發(fā)射頻率和要求的距離，則可以計算目標發(fā)射和接收對的 FPSL。鏈路預算的形式如方程 1 所示：

帶寬和連接能力

帶寬是在特定時間內可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。它限制了可以從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的最大速率以及向下游傳輸數(shù)據(jù)的最大速率?？紤]這些因素：

?每臺設備隨時間推移產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量

?網(wǎng)關中部署和聚合的節(jié)點數(shù)

?以恒定數(shù)據(jù)流或間歇性突發(fā)方式存在的突發(fā)數(shù)據(jù)高峰期需要的可用帶寬

網(wǎng)絡協(xié)議的包大小最好與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小相匹配。發(fā)送含有空數(shù)據(jù)的包會造成效率下降。然而，把大數(shù)據(jù)塊分割成過多小包也會開銷一定的資源。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備并非始終連著網(wǎng)絡。為了節(jié)省電量或帶寬，它們可以周期性地連網(wǎng)。

功耗與協(xié)同能力

如果工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備必須用電池供電，為了省電，可以在其空閑時使其進入睡眠模式?？梢栽诓煌木W(wǎng)絡負載條件下模擬設備的功耗。這樣可以確保設備的電源和電池容量與傳輸必要數(shù)據(jù)需要的功耗相匹配。3

網(wǎng)絡中不同可能節(jié)點之間的協(xié)調配合可能是個挑戰(zhàn)。為了維持互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調能力，傳統(tǒng)方法是采用標準有線和無線協(xié)議。為了跟上新技術的快速發(fā)展步伐，很難實現(xiàn)新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)流程的標準化。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)為例，看看符合現(xiàn)有解決方案需要的最佳技術。如果技術被廣泛運用，則實現(xiàn)長期協(xié)調配合的概率會更高。

安全性

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡安全性在系統(tǒng)中起著三個重要的作用：機密性、完整性和真實性。機密性要求網(wǎng)絡數(shù)據(jù)只停留在已知框架中，不允許數(shù)據(jù)被外部設備破壞或截獲。數(shù)據(jù)完整性要求消息內容與發(fā)射數(shù)據(jù)完全相同，不改變、減少或增加信息。4, 5 真實性要求從符合預期的獨家來源接收數(shù)據(jù)。以虛假身份進行錯誤通信是虛假身份驗證的一個例子。

連接不安全網(wǎng)關的安全無線節(jié)點會造成安全漏洞，有可能遭到破壞。數(shù)據(jù)時間戳有助于發(fā)現(xiàn)是否有任何信號被跳過并被通過旁道傳輸。時間戳也可以用于正確重整來自多個未同步傳感器的凌亂的關鍵時間數(shù)據(jù)。

可在 IEEE802.15.4 框架下實現(xiàn) AES-128 加密，在 IEEE 802.11 框架下實現(xiàn) AES-128/256 加密。密鑰管理、加密級隨機數(shù)生成 (RNG) 和網(wǎng)絡訪問控制清單 (ACL) 都有助于清除通信網(wǎng)絡的安全障礙。

頻段

物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器可以在蜂窩基礎設施中使用特許執(zhí)照頻段，但這些設備可能非常耗電。在車載遠程信息處理這個應用示例中，需要采集移動信息，所以，短程無線通信并不可行。然而，許多其他低功耗工業(yè)應用會占用 ISM 頻段中免執(zhí)照頻譜。

IEEE 802.15.4 低功耗無線標準可能是諸多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇。該標準的工作頻段為 2.4 GHz、915 MHz 和 868 MHz ISM，總共有 27 個通道可以用于射頻通道多次跳躍。物理層支持免執(zhí)照頻段，具體取決于在全球所處位置。歐洲提供的是處于 868 MHz 的 600 kHz 通道 0，北美則提供了以 915 MHz 為中心的 10 個 2 MHz 頻段。全球通用通道是 2.4 GHz 頻段內的 5 MHz 通道 11 至通道 26。

藍牙?低能耗 (BLE) 是一種功耗大幅減小的解決方案。BLE 不是文件傳輸?shù)睦硐脒x擇，更適合小塊數(shù)據(jù)。一個主要優(yōu)勢是與競爭技術相比，因其已與移動設備廣泛集成，所以更具普遍性。藍牙 4.2 核心規(guī)范采用高斯頻移調制，工作頻段為 2.4 GHz ISM，范圍為 50 米至 150 米，數(shù)據(jù)速率為 1 Mbps。

表 1.IEEE 802.15.4 頻段與通道分配

在確定用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的最佳頻段時，要考慮 2.4 GHz ISM 解決方案的優(yōu)點和缺點：

優(yōu)點

?多數(shù)國家或地區(qū)均免執(zhí)照

?所有地區(qū)市場采用相同的解決方案

?83.5 MHz 的帶寬允許在不同通道上實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率

?可實現(xiàn) 100% 占空比

?與 1 GHz 以下頻段相比天線較緊湊

缺點

?在相同輸出功率下，距離比 1 GHz 以下頻段短

?無處不在，數(shù)量眾多，因而會形成許多干擾源信號

通信協(xié)議

通信系統(tǒng)中用來格式化數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)交換的一組規(guī)則和標準。開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型將通信分解成不同的功能層，以便更容易地實現(xiàn)可擴展的互操作型網(wǎng)絡。OSI 模型有七個層次：物理 (PHY) 層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

圖 2.OSI 與 TCP/IP 模型。

IEEE 802.15.4 和 802.11 (Wi-Fi) 標準停留在媒介訪問控制 (MAC) 數(shù)據(jù)鏈路次層和?PHY 層。附近的 802.11 接入點應各用一個非重疊通道以減小干擾效應(圖 3)。802.11G 使用的調制方案是正交頻分多路復用 (OFDM) 方案，該方案比后文介紹的 IEEE 802.15.4 方案復雜。

鏈路層用于把無線電信號波轉換成比特，并把比特轉換成無線電信號波。這一層負責數(shù)據(jù)成幀以實現(xiàn)可靠通信，同時管理對目標無線電通道的訪問操作。

網(wǎng)絡層在整個網(wǎng)絡中路由數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)尋址。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 正是在這一層中提供 IP 地址，并將IP包從一個節(jié)點帶到另一個節(jié)點。

在運行于網(wǎng)絡兩端的應用會話之間，傳輸層會生成通信會話。這樣一樣，多個應用就可以在一臺設備上運行，每個應用均使用自己的通信通道。互聯(lián)網(wǎng)上的連網(wǎng)設備主要采用傳輸控制協(xié)議 (TCP)，并將其作為首選傳輸協(xié)議。

應用層對數(shù)據(jù)進行格式和管理，以針對節(jié)點傳感器的具體應用優(yōu)化數(shù)據(jù)流。TCP/IP 堆棧中一個常見的應用層協(xié)議是用于通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的超文本傳輸協(xié)議 (HTTP)。

FCC Part 15 規(guī)則將ISM頻段中發(fā)射器的有效功率限制為 36 dBm。2.4 GHz 頻段中的固定點對點鏈路是個例外，其天線增益為 24 dBi，發(fā)射功率為 24 dBm，總 EIRP 為 48 dBm。發(fā)射功率應至少達到 1 mW。如果包差錯率小于 1%，則要求接收器靈敏度在 2.4 GHz 頻段內支持–85 dBm，在 868 MHz 和 915 MHz 頻段內支持 –92 dBm。

圖 3.全球 IEEE 802.15.4 PHY 通道 11 至通道 26 與 IEEE 802.11g 通道 1 至通道 14。

原地安裝與全新安裝

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)意味著連接范圍廣，要用多個有線和無線標準來實現(xiàn)。然而，若要安裝到現(xiàn)有網(wǎng)絡系統(tǒng)中，選擇可能并不多。可能需要對新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案進行改造，以適應網(wǎng)絡需求。

全新安裝是指在全新的環(huán)境中從零開始安裝。不存在傳統(tǒng)設備的限制。例如，在建設新廠房或倉庫時，可以在框架規(guī)劃中考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以達到最優(yōu)性能。

原地部署是指在原有基礎設施中安裝的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡。挑戰(zhàn)尤其明顯。傳統(tǒng)網(wǎng)絡可能并不理想，但新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須與會產(chǎn)生干擾源射頻信號的任何現(xiàn)有系統(tǒng)共存。開發(fā)人員在受限的環(huán)境下，繼承硬件、嵌入式軟件和以前的設計決策。因此，開發(fā)過程變得非常艱難，需要進行認真嚴謹?shù)胤治?、設計和測試。6

網(wǎng)絡拓撲結構

IEEE 802.15.4 協(xié)議規(guī)定了兩個設備類別。全功能設備 (FFD) 可以用在任何拓撲結構中，作為 PAN 協(xié)調器與任何其他設備通信。精簡功能設備 (RFD) 僅限于星形拓撲結構，因為它不能成為網(wǎng)絡協(xié)調器。它只能在簡單的 IEEE 802.15.4 實施方案中與網(wǎng)絡協(xié)調器通信。根據(jù)具體應用，有多種網(wǎng)絡模型：點對點模型、星模型、網(wǎng)模型和多跳模型。

圖 4.網(wǎng)絡模型：點對點、星形、網(wǎng)狀和多跳拓撲結構。

點對點網(wǎng)絡可以輕松把兩個節(jié)點連起來，但無法利用智能擴大網(wǎng)絡的范圍。這種結構支持快速安裝，但缺乏冗余性，如果一個節(jié)點不能運行，則整個網(wǎng)絡失效。

星形模型將總輻射范圍擴展至兩個節(jié)點的傳輸距離，因為該模型用一個 FFD 作為主控節(jié)點，與多個RFD通信。然而，每個 RFD 仍然只能與路由器通信。只要 FFD 不出故障，就可以容忍一個點發(fā)生故障。

Mesh (網(wǎng)狀)網(wǎng)絡允許任何節(jié)點進行通信或跳過任何其他節(jié)點。這就提供了冗余的通信路徑，可增強網(wǎng)絡的強度。智能型 Mesh 網(wǎng)絡可以通過最少的跳躍路由通信，以降低功耗和延遲。自組拓撲結構可以自行適應環(huán)境的變化，允許節(jié)點抵達或離開網(wǎng)絡環(huán)境。

可靠性

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)客戶在做出訂購決策時，最看重的是可靠性和安全性。企業(yè)一般用復雜的大型集群進行數(shù)據(jù)分析，其中可能存在大量的瓶頸問題，包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)索引和數(shù)據(jù)抽取，以及轉換和加載流程等。每個邊緣節(jié)點的高效通信對防止下游集群中出現(xiàn)瓶頸問題至關重要。5

工業(yè)環(huán)境通常非常惡劣，不利于射頻波的有效傳播。形狀不規(guī)則的大型高密度金屬工廠設備、混凝土、隔斷和金屬支架都可能形成多路徑波傳播。射頻波從各個方向離開發(fā)射天線，“多路徑”指射頻波在到達接收器之前會受到環(huán)境傳播的影響。接收器端的入射波分為三類——反射波、衍射波和散射波。多路徑波的幅度和相位會發(fā)生變化，形成復合波，結果會在目標接收器端產(chǎn)生破壞性的干擾。

CSMA-CA 通道訪問

載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA) 是一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在該協(xié)議下，網(wǎng)絡節(jié)點采用載波偵聽。節(jié)點只在偵聽到通道空閑時才發(fā)射整包數(shù)據(jù)，從而避免沖突。無線網(wǎng)絡中的隱藏節(jié)點不在其他節(jié)點的范圍之內。在圖 5 所示例子中，范圍內遠端邊緣的節(jié)點可以看到接入點“Y”，但看不到范圍內另一端的節(jié)點X或Z。7

圖 5.隱藏節(jié)點 X 和 Z 無法直接通信。

基于 RTS/CTS 的握手方案通過面向WLAN的簡短“請求發(fā)送”和“允許發(fā)送”消息，實施虛擬載波偵聽技術。802.11 主要依賴物理載波偵聽技術，IEEE 802.15.4 則采用 CSMA/CA。為了克服隱藏節(jié)點問題，與 CSMA/CA 結合實施RTS/CTS握手。在允許的條件下，提高隱藏節(jié)點的發(fā)射功率可以延長其觀察距離。

協(xié)議

為了提高帶寬，用高級調制方案調制相位、幅度或頻率。正交相移鍵控 (QPSK) 是一種調制方案，對每個符號均用四個相位來編碼兩個比特。正交調制采用一種混合式架構，通過相移來降低信號帶寬要求。二進制數(shù)據(jù)被細分成兩個連續(xù)的比特，并在 ωc 載波、sinωct 和 cosωct 正交相位上進行調制。

圖 6.偏移型 QPSK 調制器架構。

IEEE 802.15.4 收發(fā)器運行于 2.4 GHz ISM 頻段，采用 QPSK 的一種物理層變體，稱為偏移型 QPSK( 即 O-QPSK) 或交錯型 QPSK。一個數(shù)據(jù)位 (Tbit) 偏移時間常量被引入比特流中。這樣，數(shù)據(jù)在時間上偏移符號周期的一半，結果可以避免節(jié)點 X 和 Y 的波形同時躍遷。連續(xù)相位步進不得超過 ±90°。一個不足之處是 O-QPSK 不支持差分編碼。但它的確可以排除相干檢測這項具有挑戰(zhàn)性的技術任務。

IEEE 802.15.4 中采用的調制方案通過降低符號速率來發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。O-QPSK 要求通過同時發(fā)射兩個編碼位，使符號速率與比特率之比達到 ?。這樣就能以 62.5 k symbols/sec 的符號速率，實現(xiàn) 250 kbps 的數(shù)據(jù)速率。

可擴展性

并非所有物聯(lián)網(wǎng)都要求采用外部IP地址。對于專用通信，傳感器節(jié)點應能支持唯 一IP 地址。雖然 IPv4 支持 32 位尋址，但在幾十年前人們就清楚地認識到，僅 43 億個地址無法支持互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要。IPv6 將地址長度提高到 128 位，能支持 240*10^36 臺全球唯一地址 (GUA )設備。

在兩個不同的 IPv6 域和 IEEE802.15.4 網(wǎng)絡中映射數(shù)據(jù)和管理地址對設計提出了較大的挑戰(zhàn)。6LoWPAN 定義了封裝和報頭壓縮機制，支持通過基于 IEEE 802.15.4 的網(wǎng)絡發(fā)送和接收 IPv6 包。舉例來說，Thread 是一種運行于 6LoWPAN 之上，基于封閉式文檔、免版稅協(xié)議的自動化標準。

ADI 公司為 ADuCx 系列微控制器和 Blackfin? 系列 DSP 提供全面的無線收發(fā)器和有線協(xié)議。低功耗 ADRF7242 支持 IEEE 802.15.4、可編程數(shù)據(jù)速率和調制方案，采用全球 ISM 頻段，速率范圍為 50 kbps 至 2000 kbps。符合 FCC 和 ETSI 標準的要求。ADRF7023 的工作頻段為全球免執(zhí)照 ISM 頻段，工作頻率為 433 MHz、868 MHz 和 915 MHz，速率范圍為 1 kbps 至 300 kbps。ADI 公司提供完整的 WSN 開發(fā)平臺，助力定制解決方案的設計。RapID? 平臺是一個用于嵌入工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議的模塊和開發(fā)套件系列。SmartMesh? 無線傳感器是芯片和預認證 PCB 模塊，帶網(wǎng)狀組網(wǎng)軟件，使傳感器可以在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中進行通信。

圖7.相變 ±90°(左)及 I/Q O-QPSK 選項(右)。