2023年貿澤電子技術創新周的直播活動迎來了今年的收官場主題—工業物聯網(IIoT)。

如果要形象地理解工業物聯網在工業制造領域扮演的角色，它可以說是相當于智能制造的“神經網絡”——將遍布于工廠的設備實現互聯互通、全面感知，實時收集和處理生產制造各個環節的數據和信息，繼而再借助人工智能技術以及算法等加持，進行數據的智能處理分析，實現更高進一步的預測性維護，不斷提升工業制造的效率，穩定產品質量，降低產品成本和資源消耗。

當前，全球工業物聯網（IIoT）正以驚人的連接速度領航未來產業數字化發展大潮。GSMA預測，2025年全球物聯網終端連接數量將達到250億個，其中消費物聯網終端連接數量達到110億，工業物聯網終端連接數將達到140億，占全球連接的一半以上。中國的工業物聯網市場更以25%年增長率迅猛發展，為千行萬業開辟出新天地。

為了讓大家深入學習IIoT相關的創新技術和應用，我們特別策劃了本期專題，邀請到來自Analog Devices、Amphenol、Silicon Labs、Phoenix Contact、TE Connectivity等國際大廠的資深專家以及寧波市智能制造技術研究院的副院長，通過3天的線上直播，和大家共同探討了IIoT在智能工廠上的應用、產業數字化轉型及技術上創新升級等內容，帶領大家從多個角度了解當前IIoT的技術和應用發展趨勢，助力大家在未來IIoT相關的實踐中，靈活利用創新技術，推動制造、電力、汽車等產業進一步的智能化和綠色化。

從全面數據互聯，到IIoT+5G+邊緣AI的綜合能量，看國際大廠在智能制造應用領域的解題思路。以下是直播精華筆記。

全面的數據互聯是工業物聯網一大關鍵

工業物聯網（IIoT）的發展將深刻改變智能制造的面貌，推動智能制造實現更深層次的數字化和智能化、更緊密的產業鏈協同、更廣泛的應用領域、更高效的數據處理和分析。

通過工業物聯網平臺，可以實現生產過程的“可視化”和“可追溯”。具體步驟包括——建立數字化生產管理系統，使用物聯網技術，將生產設備、生產線、工廠等全部實現數字化，并構建互聯網服務平臺，對生產過程進行實時監控、數據采集、數據處理和分析。進而，通過數據可視化技術，將生產過程中的各種數據以圖表、圖像等方式呈現出來，幫助企業更好地了解生產情況，及時發現和解決問題。

通過視頻監控、傳感器等技術，對生產過程進行實時監控，了解生產現場的情況，及時發現和解決問題。通過數據追溯技術，對生產過程中的各種數據進行跟蹤和記錄，實現產品從原材料到成品的全程跟蹤和追溯，幫助企業更好地了解產品質量和安全情況。

通過數據分析技術，對生產過程中的各種數據進行深入分析和挖掘，發現生產過程中的問題和瓶頸，提出改進措施和建議，提高生產效率和產品質量。

此外還可以實現遠程監控和維護，提高設備運行效率和可靠性，也能實現更高效安全的人員管理以及質量管理。

而這一切技術和應用的實現有一個重要前提——全面的數據互聯。

01

Amphenol

互連解決方案擴闊IIoT

在智能工廠上的應用

工業物聯網的飛速發展，使得設備之間的通信變得越來越復雜和精密，產生了許多不同的通信接口與協議。不同的協議之間不一定能相互通信，而工業以太網使用通用接口的單一網絡以單一協議運行，減少了不同協議之間轉換的數據滯后，實現了實時數據處理，因此工業以太網迅速成為工業自動化系統的首選協議。

Amphenol針對工業以太網提出了兩種互聯解決方案：ix Industrial 和 SPE，相較于傳統的RJ45連接器，具備更高的可靠性、更快的速度、更好的屏蔽性的有點。具體表現如下：

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• 更高的端口密度：ix Industrial 和SPE比傳統的RJ45連接器插孔小75%，IP20 ix Industrial 工業連接器的間距為10毫米，僅為RJ45的一半，這意味著在以太網交換機等典型的多端口應用中，可以將端口數量增加一倍。

• 優化布線：SPE僅使用2根導線，布線更小、更輕、更靈活、成本更低；ix Industrial工業以太網支持4對（或8線）以太網，帶寬更高，而且ix Industrial 連接器有10個觸點，因此還有額外的2根導線用于電源或其他類型的信號。

• 更好的信號完整性：ix Industrial 和SPE在插入損耗和回波損耗方面都超過了規定的信號完整性性能標準。SPE的Cat5e或1Gb性能可達40米，10BASE-T或10Mb性能可達1公里，而ix Industrial 的Cat6A（10Gb）性能可達100米。總結來說，ix Industrial適用于制造結構中各層之間高帶寬、高速數據通信；SPE適用于遠端設備的的實時高速傳輸。

• 更好的兼容性：ix Industrial 和SPE都遵循既定的IEC標準，與符合相同標準的其他產品互換。SPE遵循IEC 63171-6的標準，ix Industrial遵循IEC 61076-3-124的標準。

• 出色的電磁干擾控制：ix Industrial 和SPE均采用完全360度全金屬屏蔽設計，使用壽命較長。SPE通過配對的全金屬屏蔽確保防止輻射發射并保持信號完整性；ix Industrial通過配對的全金屬屏蔽防止任何輻射發射影響附近的設備。

• 安全性更高：ix Industrial 和SPE均采用 IP20防手指接觸設計，觸點是嵌入連接器內部的，保護了操作連接器的人員和連接器本身。IP6X的版本可以提供更好防塵和放液體侵入的保護。

• 可靠性更高：相較于傳統的RJ45連接器采用的簡單的模制塑料閂鎖，ix Industrial 和 SPE均采用金屬閂鎖機制。

大多數以太網連接都需要在插座上安裝磁性元件，以便與PHY芯片進行正確通信。Amphenol提供了目前市場上唯一的ix-MAG 選件，其優點是保持了連接器之間10毫米的中心到中心間距，從而實現了與標準版本相同的高端口密度。它還支持PoE++ 性能，可為傳感器和執行器提供100W（或更高）的功率。除此之外，Amphenol還將今年年底推出M12與SPE混合型的工業以太網連接器，支持IEC 63171-7的標準，外形與M12保持一致，不僅具備單獨供電的功能，還具備SPE的高速傳輸的性能。

# 小結

Amphenol帶來的下一代工業以太網互聯方案具備高性能、堅固耐用、設計緊湊、接口標準化的優勢，可廣泛應用于數據網絡、機器人、自動化、邊緣設備等各種工業應用。

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02

Silicon Labs

高性能、靈活的無線連接解決方案增

強IIoT應用

針對IIoT的三大主要應用場景—能源效率、能量收集、預測性維護，Silicon Labs提出了三種高性能、靈活的無線連接解決方案：

• Wi-Fi 6 + BLE：如今大多數設備都使用2.4GHz Wi-Fi 4，但是由于通道有限，且低功耗藍牙、Zigbee也使用相同的頻譜，使得頻譜越來越擁擠，而Wi-Fi 6相當適用于密集環境中大量共存設備。即使在2.4GHz頻譜下，也可以在密集環境中支持許多共存設備。Wi-Fi 6中還引入了目標喚醒時間（TWT）的功能，使終端設備能夠在目標時間喚醒并查找數據，而不是定期喚醒，大大降低了功耗。Wi-Fi 6結合藍牙的高集成度解決方案，可實現超低功耗的物聯網設備和更佳安全性（WPA3、PSA 2級）。

• Sub-GHz：Silicon Labs推出的Sub-GHz片上系統（SoC），具備遠距離射頻和節能特性且通過了Arm PSA 3級安全認證，適用于擁擠的 2.4G環境中的終端節點、有金屬干擾的終端節點，可以與BLE和Wi-SUN搭配使用，可以滿足高性能電池供電型物聯網產品的需求，可幫助提升能源效率。

• BLE Mesh和Wirepas Mesh：分散式的網狀網絡連接，適用于多跳和低延遲的超大型網絡，實現可靠的長距離無線連接。

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此外，Silicon Labs針對邊緣AI推出集成了人工智能和機器學習（AI/ML）硬件加速器的超低功耗Wi-Fi SoC（BG24、SiWx917）。具備如下優勢：

• 物聯網傳感器可以快速地在本地處理計算，無需啟動Wi-Fi連接、傳輸數據和等待響應。

• 如果需要進行云計算，可以在接入點上保持Wi-Fi活動狀態，實現快速啟動（Ramp-up）和高通量傳輸，減少云計算的延遲和能耗。

• 集成了AI/ML加速器（矩陣矢量處理器，Matrix Vector Processor），終端設備可以直接在Wi-Fi無線單元上處理數據，無需喚醒和占用中央微處理器，降低終端設備的功耗，延長電池壽命。

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03

TE Connectivity

無線技術助力工業物聯網高速發展

來看一下TE Connectivity的倉庫天線解決方案—四種Wi-Fi網絡基礎設施天線（不同的空間、不同的覆蓋范圍、不同的天線安裝位置）：

• 桿式安裝的筒狀全向天線

• 壁掛式的面板定向天線

• 吊頂式安裝的瓦片式全向天線

• 屋頂安裝的面板定向天線

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終端設備的倉庫天線解決方案，共有四種不同的天線類型：

• FPC尾纖天線：天線安裝在設備的塑料外殼上，設備無線電板尺寸可以很小，但是天線的性能受電纜布線的影響。

• PCB插拔式天線：與SMT天線相比，可以節省電路板空間，輻射性能較好，但是通常采用手工焊接。

• SMT天線：焊接方式采用回流焊接，但是占用更多電路板間隙空間。

• 支持自定義的天線：可以提高射頻的性能。

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IIoT +邊緣AI、5G，釋放更多創新能量

隨著IIoT的各項技術和應用方案的進一步發展和細化，“IIoT + X”及IIoT與各類其他前沿技術的融合是未來發展方向，并將進一步引發更多的技術和應用創新。

其中，AI與IIoT的融合是一大重要發展方向。因為IIoT技術讓工業設備實現了具備全面感知、可靠傳輸、智能處理、自組織與自維護等能力，但物與物之間的互聯會產生海量的數據處理需求，這就需要AI強大的計算能力才能勝任。而與云端AI技術相比，邊緣AI由于不需要將數據上傳至云端，具備實時性好、帶寬資源要求低、隱私性高等特點，特別適合IIoT的應用。

“5G+工業互聯網”是另一個重要方向。通過5G技術對人、機、物、系統等的全面連接，構建覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業數字化、網絡化、智能化發展提供新的實現途徑，賦能產業數字化轉型。

2022年9月，國家工信部印發《5G全連接工廠建設指南》，支持企業采用以5G為代表的新一代信息通信技術，打造產線級、車間級、工廠級等生產現場的新型工業互聯網基礎設施，形成生產單元廣泛連接、信息（IT）運營（OT）深度融合、數據要素充分利用、創新應用高效賦能的先進工廠。

04

ADI

邊緣AI如何解決當前IIoT痛點

可以這樣理解AI和IIoT在一座工廠中扮演的角色——IIoT相當于工廠設備遍布的神經網絡，AI則相當于工廠的大腦。但要讓智能設備達到類似人腦的智能，設備必然需要進行大量的矩陣運算，這意味著大量的存儲空間、強大的計算能力、高速的數據交互，成本很高，往往只有部署在云端的大型服務器才能夠勝任這一工作。

然而，IIoT技術畢竟是工業領域物與物之間的互連，許多工業設備是需要電池供電的，并且對于部分機密性較高的工廠來說，數據在設備之間的流通并不能完全依賴于云端，因此工業物聯網通常意味著低成本和低功耗。再者，許多工廠在建造時可能并未考慮增加電力走線，而AI技術通常要使用網電。這就使得AI技術與IIoT技術的融合產生了一定矛盾與困難。

針對上述痛點，ADI的邊緣AI技術將二者的優點結合，從而實現在工業物聯網設備的邊緣端執行AI推理，比云計算的速度更快。

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ADI針對邊緣AI的特點提出了MAX7800X系列的邊緣AI解決方案。MAX7800X系列由兩個微控制器內核（ARM Cortex M4F和RISC-V）加上一個卷積神經網絡（CNN）加速器構成。該方案具備如下的技術優勢：

• 超低功耗：得益于RISC-V出色的低功耗性能，與微控制器+DSP解決方案相比，邊緣AI定制的硬件加速器可以將功耗降低99%以上。

• 高速運算：相比于純微控制器方案，邊緣AI定制的硬件加速器具備更高的數據吞吐量，可將速度提高100倍以上。

• 低成本：遠低于FPGA或者GPU的解決方案。

MAX7800X的核心亮點在于它集成了一個卷積神經網絡（CNN）加速器，可以減少卷積神經網絡的運行能耗和等待時間，而且CNN加速器不受MCU內核的干擾，極大地提高了AI推理的效率、改善了延遲。特殊的架構設計使得MAX7800X可以以1fps的速度進行復雜的圖像分析，在視覺識別等應用領域具備出色的性能。

助力IIoT的創新升級，ADI還推出了1-Wire的通信協議，將地址線、數據線、控制線、時鐘線合成為一根總線，以此來降低系統功耗、減小系統設計的難度。1-Wire還具備如下的技術優勢：

• 通信距離長：可支持長達300米的通信距離。

• 功能多樣性：與I2C類似，支持多地址的拓展。

• 高穩定性、可靠性：高達8kV HBM的ESD保護等級。

• 安全性高：每個器件都具備唯一的64位識別碼（ROM ID）。

• 采用半雙工的雙向串行接口，支持兩種通信速率，分別是11kbps至15kbps的標準模式和60kbps至125kbps的高速模式。

• 通過特定的橋接器可實現與不同接口協議（I²C、UART、SPI等）進行轉換。

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05

Phoenix Contact

5G互連助力IIoT數字化轉型

5G技術的出現和演進顯著地增強了工業互聯網的服務供給能力，為工業互聯網快速發展提供堅實的技術保障。

圖1：5G在工業互聯網中的價值

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在ITU-R定義的5G的三大應用場景中，超高可靠低時延通信（uRLLC）達到了工業控制對網絡時延和可靠性的極高要求，海量大規模連接物聯網(mMTC)滿足了在工業互聯背景下對海量設備的數據采集需求，增強移動寬帶（eMBB）則可支撐如工業環境中超高清視頻的應用。

圖2：5G+工業互聯網應用場景

圖3：工業5G網絡架構

Phoenix Contact在5G工業互聯網領域提出了SPE單對以太網、SFP光纖網絡、SMA同軸連接器三大互聯解決方案：

• 以太網連接解決方案-SPE單對以太網：通過了IEC 63171的連接器標準認證以及IEC 61156的線纜標準認證。相比RJ45接口標準可以成倍提高接口密度，實現設備小型化。傳輸距離可高達1,000米，傳輸速度升至1GBit/s。

  傳統的以太網線是4根或者8根的，SPE則采用1對2線全雙工的方式并且通過不同頻率來實現不同速度的通信。線芯的減少將極大降低線纜成本，在海量的電力物聯網感知層設備接入時，可節省大量成本。SPE還提供IP20及IP67兩種防護等級的版本，以應對不同的工作環境。SPE支持POE/PODL技術，可提供60W的電源輸入，而無需另外設計電源接口。

• 光纖網絡解決方案-SFP：運行期間可即插即用，傳輸速率可達10Gbps，符合光纖多源協議（MSA）SFF-8431和SFF-8432的標準認證。

• 無線傳輸解決方案-SMA同軸連接器：擁有不同種類的連接器類型可供選擇，分別是N型、SMA、R-SMA。連接器底座適用于波峰焊和THR焊接工藝，可以節省自動化裝配的成本。連接器均為無鉛材料，線纜長度有0.5m到30m可供選擇，可支持7.25GHz的頻率，具備良好的衰減性能。

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貿博士點評

未來，IIOT將如何進一步改變

智能制造的面貌？

寧波市智能制造技術研究院在直播分享中指出，未來以客戶為中心的產品開發以及“設計-制造-使用”一體化的趨勢，需要物聯網、人工智能、大數據、VR/AR等技術的支持。這些交叉科技領域的融合將深刻改變智能制造的面貌，推動智能制造實現更深層次的數字化和智能化、更緊密的產業鏈協同、更廣泛的應用領域、更高效的數據處理和分析。

具體來看，IIoT在智能制造領域的發展趨勢可能會表現在以下幾個方面：

• 更深層次的數字化和智能化：隨著技術的不斷進步，IIoT將進一步推動智能制造的數字化和智能化。在產品的設計、制造和管理過程中，將實現更高效的數據采集、分析和處理，進一步優化生產流程和提高產品質量。同時，通過更智能化的設備和系統，將能夠實現更高效的自動化和智能化生產。

• 更緊密的產業鏈協同：IIoT的發展將促進智能制造產業鏈的協同。通過更緊密的上下游企業合作，實現更高效的生產和更優質的產品。同時，基于IIoT的供應鏈管理將得到進一步優化，降低庫存和物流成本，提高生產效率和產品質量。

• 更廣泛的應用領域：隨著技術的不斷創新和進步，IIoT將在更多的領域得到應用。例如，在能源、醫療、交通等領域，將有更多的智能設備和應用場景出現，推動這些領域的數字化和智能化進程。

• 更高效的數據處理和分析：隨著大數據和人工智能技術的發展，IIoT將能夠實現更高效的數據處理和分析。通過對大量數據的分析和挖掘，將能夠更好地把握市場需求和趨勢，優化產品設計、制造和管理過程，提高生產效率和產品質量。

而IIoT對智能制造領域的改變將體現在以下幾個方面：

• 生產方式的變革：IIoT將推動智能制造的生產方式由傳統的線性生產向數字化和網絡化的生產方式轉變。基于IIoT的智能制造將實現更高效、更靈活、更智能的生產模式，滿足市場需求的多樣化和個性化。

• 供應鏈的優化：IIoT將促進智能制造的供應鏈優化。通過實時數據采集和分析，可以更好地把握市場需求和趨勢，預測生產需求，實現精準供應和物流管理，降低庫存和物流成本。

• 產品質量的提升：通過實時數據采集和分析，IIoT將能夠更好地監控生產過程和質量，及時發現和解決問題，提高產品質量和穩定性。

• 生產效率的提高：IIoT將推動智能制造的生產效率大幅提高。通過自動化和智能化生產，可以減少人工干預和錯誤率，提高生產效率和生產能力。

• 創新能力的提升：IIoT將促進智能制造的創新能力的提升。通過數字化和智能化技術，可以更快地開發新產品和市場應用。