我們都知道，工廠的地板可能是一個(gè)嘈雜的地方：噪音引起的聽力損失是美國最常見的職業(yè)病之一，但不僅是人類有風(fēng)險(xiǎn)。尤其是自工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）（也稱為工廠4.0）到來以來，看不見的和未聽到的電子噪聲可能會(huì)嚴(yán)重影響傳感器和通信系統(tǒng)。

為什么這種電子“聽力損失”正在上升？IIoT的全部內(nèi)容都是使用大數(shù)據(jù)來產(chǎn)生行業(yè)專家稱之為“可操作的洞察力”，從而提高運(yùn)營效率，節(jié)省資金并在事故發(fā)生前預(yù)測(cè)故障。收集大量數(shù)據(jù)并將其存入云中首先需要添加數(shù)千個(gè)敏感傳感器來監(jiān)視工業(yè)過程的各個(gè)方面。這些傳感器必須在一個(gè)從來沒有設(shè)計(jì)來適應(yīng)它們的環(huán)境中工作。

EMC和連接的工廠

維基百科（Wikipedia）將電磁兼容性（EMC）定義為“與電磁（EM）能量的無意產(chǎn)生，傳播和接收有關(guān)的電氣工程分支，其可能導(dǎo)致諸如電磁干擾（EMI）之類的不期望的影響，甚至對(duì)運(yùn)行設(shè)備造成物理損壞。 “在EMC內(nèi)部，主要有兩類效應(yīng)：電磁輻射，不需要的電磁能量的產(chǎn)生以及電磁敏感度，電磁輻射是一個(gè)設(shè)備受到輸入電磁能量影響的程度。我們可以按照電磁傳播的方式劃分每一個(gè)等級(jí) - 輻射或傳導(dǎo)引起四個(gè)不同的研究領(lǐng)域和四個(gè)問題。圖2說明了EMC傳播的機(jī)制。

圖2：電磁輻射傳輸機(jī)制。（圖片來源：維基百科）

是什么使工廠成為如此具有挑戰(zhàn)性的EMC環(huán)境？圖1較早地展示了一個(gè)典型的IIoT情景：在開發(fā)低功耗低電壓模擬和數(shù)字技術(shù)之前，多年來甚至數(shù)十年設(shè)計(jì)的工廠上疊加了大量的有線和無線傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)。目前這些器件通常需要1V或更低的電源，并可能受到電源和地線上的毫伏干擾的影響。由于原始工廠設(shè)計(jì)人員無法預(yù)見IIoT廣泛采用低功耗無線設(shè)備，所以在GHz范圍內(nèi)的發(fā)射最小化可能不是高優(yōu)先級(jí)。

圖3：工業(yè)環(huán)境遭受寬帶EMI的影響：一些示例源顯示。（圖片來源：Compliance-club.com）

典型的工廠包含許多可能導(dǎo)致低功耗和無線設(shè)備出現(xiàn)多重EMC問題的機(jī)器。例如，電弧焊機(jī)可能是輻射和傳導(dǎo)輻射的來源：來自電弧脈沖的輻射射頻（RF）能量以及來自電壓諧波的能量和電力和地線上的波動(dòng)。其他機(jī)器可能同時(shí)遭受排放和敏感問題。圖3顯示了EMI的一些常見來源及其頻率。

一些適用的EMC標(biāo)準(zhǔn)

正如你所預(yù)料的那樣，由于一個(gè)吵鬧的設(shè)備會(huì)影響到大眾，世界各國政府已經(jīng)制定了EMC性能標(biāo)準(zhǔn)。在美國，聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）規(guī)定了電信設(shè)備的最低合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。FCC法規(guī)第15部分規(guī)定了防止有害射頻干擾所需的輻射測(cè)試。

在歐盟，R＆amp; TTE指令99/5 / EG適用于所有的無線電控制產(chǎn)品。加拿大工業(yè)部對(duì)無線電設(shè)備符合性（RSS-GEN）有一般要求，其他國家也有類似的機(jī)構(gòu)。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)頒布的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了每個(gè)EMC類別的允許級(jí)別和批準(zhǔn)的測(cè)試程序。政府機(jī)構(gòu)通常需要在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行測(cè)試和認(rèn)證，然后才能推出新產(chǎn)品。

在國際電工委員會(huì)（IEC）等全球標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的授權(quán)下，不同的標(biāo)準(zhǔn)適用于不同的行業(yè)。對(duì)于工業(yè)設(shè)備，IEC 61000-6-2作為通用發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)包含了IEC61000-6-4的抗電磁干擾能力。許多應(yīng)用都有自己的一套標(biāo)準(zhǔn)：例如，IEC 60974-1特別適用于電弧焊機(jī)器人的電源，而IEC 60974-10則涵蓋了電弧焊機(jī)器人的EMC要求。

EMC和無線網(wǎng)絡(luò)

盡管工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在了幾十年，包括以太網(wǎng)和CAN等標(biāo)準(zhǔn)，但通過低成本，低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)的興起，連接支持IIoT的工廠變得更加容易。在工業(yè)應(yīng)用中使用無線解決方案的一些原因包括：

更高的移動(dòng)性，以及移動(dòng)設(shè)備并輕松連接智能手機(jī)和平板電腦的能力
消除昂貴的布線
快速簡單的安裝和調(diào)試，特別是在偏遠(yuǎn)或難以進(jìn)入的地方
更大的靈活性和遠(yuǎn)程升級(jí)能力
將設(shè)備輕松集成到網(wǎng)絡(luò)中

在過去的十年中，連接的工廠已經(jīng)采用了幾個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)。下表顯示了一些主要競(jìng)爭者及其在IIoT中的應(yīng)用：

基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)對(duì)IIoT架構(gòu)師特別有吸引力，因?yàn)樗鼈兏m合于小數(shù)據(jù)包和IIoT傳感器節(jié)點(diǎn)的低更新速率。另一方面，802.11 WLAN設(shè)備必須能夠適應(yīng)諸如視頻流的應(yīng)用，這大大增加了復(fù)雜性和功耗。

許多無線產(chǎn)品可以在單個(gè)設(shè)備中處理一個(gè)或多個(gè)IIoT協(xié)議。例如，德州儀器（TI）為CC2630無線微控制器（MCU）提供6LoWPAN，ZigBee和TI自己的SimpleLink功能。

該器件屬于CC26xx系列經(jīng)濟(jì)高效，超低功耗的2.4-GHz RF器件。CC2630包含一個(gè)運(yùn)行在48 MHz的32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，以及一個(gè)集成了ARM Cortex-M0的射頻模塊。它還包括一個(gè)超低功耗傳感器控制器，用于連接外部傳感器，并在系統(tǒng)睡眠模式下收集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。該功能使該器件非常適合IIoT低功耗遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。

設(shè)計(jì)最大限度地減少EMC問題

要實(shí)現(xiàn)良好的EMC性能，需要采用多層方法，將工廠級(jí)的性能（如接地和功率分配）注重到單個(gè)集成電路。由于許多IIoT裝置都是改造的，所以這項(xiàng)任務(wù)變得更加困難，因此諸如重新布線工廠基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模改變即使不是不可能完成也是困難的。