自從德國率先提出《工業4.0》之后，世界各制造業大國都紛紛出臺了自己以新一輪工業革命為指向的智能制造戰略，如中國的《中國制造2025》、美國《先進制造業伙伴計劃》、法國《新工業法國》等。這些新工業革命的計劃雖然各有不同，但其內涵卻有異曲同工之妙。

按照比較通俗的理解，新工業革命的一個核心目的，就是將傳統的規模化和標準化的工業制造模式，轉變為兼具規模化和定制化的新模式，即讓工業生產在確保效率和效益的前提下實現最大限度的靈活性。要想達到這樣的目標，一個重要的前提就是在充分數據基礎上的精準決策和及時響應，在這個過程中，工業物聯網將發揮基礎性的作用。而構建工業物聯網的第一步，就是要將那些參與生產制造的各種各樣的設備連接起來。

工業以太網

工業物聯網設備的組網和互連技術，包括有線和無線兩種。在有線網絡中，工業以太網是目前公認最具發展前景的技術。

顧名思義，工業以太網就是應用于工業控制領域的以太網技術，它與商用標準以太網兼容，但是由于工業應用場景的特殊性，又增添了很多適應性的特性，比如實時性、可靠性、安全性、總線供電，以及可管理性等等。

經過多年的發展，工業以太網已經演化出多個成熟的商業化的應用層協議，比如HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP等。

工業以太網之所以備受青睞，與其自身的優勢息息相關。

首先，以太網是應用最廣泛的計算機網絡技術，過年來積累了豐富的生態資源支持，這些資源都可供工業以太網使用；

其次，建立在廣泛應用的基礎上，工業以太網的部署在軟硬件成本上都會更為低廉；

第三，在數據傳輸速率上，以太網與其他工業現場總線相比，有明顯的優勢，這是一個不容拒絕的硬指標；

再有，采用同樣的以太網網路架構，有利于實現工業控制網絡與企業信息網絡的無縫連接；

最后，以太網技術的開放性和兼容性，為工業以太網后續的發展提供了更大的可擴展空間，這與工業4.0的調性也是十分吻合的。

因此，工業以太網通常會被作為工業物聯網的核心骨架，人們也一直希望在此基礎上，構建“一網到底”的工業有線網絡架構。

TSN與“一網到底”

但是，實現這種“一網到底”的理想，路途中還是會遇到很多溝溝坎坎。理想中的工業物聯網不但要實現工業生產現場（OT域）中各個設備之間的連接，也需要考慮與基于標準以太網的企業信息管理系統（IT域）的無縫連接。

而現實的情況是，當今很多工業以太網協議之間是不能彼此互用的，與標準以太網的互聯互通也不完美；同時越來越智能化的生產設備可能需要連接不同的工業以太網網絡，而每種網絡都運行特定的協議……

為了解決這些問題，讓數據能夠在不同網絡之間無障礙地傳輸，就需要部署各種各樣的網關，這無疑會增加整個網絡的復雜性和成本。

圖1，工業設備互連框圖（來源：AVNU）

為了應對這些挑戰，IEEE成立了專門的TSN（時間敏感型網絡）團隊去解決這一問題。TSN實際上是脫胎于IEEE在2004年開始發展的音頻/視頻橋接(AVB)標準，這是一個音頻/視頻流傳輸標準，主要定義網絡設備時間同步、流量整形及準入控制，當大家意識到這一標準可以為更精確的以太網流量管理提供一個框架，在工業領域也有很大的發展潛力之后，將其更名為TSN，并且開始修訂802標準系列以應對工業等應用之需。

TNS包含一系列技術，其關注的重點是采用一個本質上非確定性的以太網絡，并使其具備確定的最小延時。人們希望采用TNS之后，企業只需部署一種IEEE標準以太網網絡，就能既傳輸OT系統中對實時性要求較高的控制流量，又傳輸IT系統中普通以太網流量。

這將有力推動“一網到底”的工業以太網架構的實現。目前NXP等芯片廠商也已經推出了支持TNS的網絡處理器及解決方案。

工業無線互連

除了有線網絡，工業物聯網中當然也少不了無線互連技術的身影，它們通常去負責生產設備與傳感器、執行器、現場儀表等大量分布式的網絡邊緣節點之間的連接和數據交互。目前主流的專用工業物聯網無線通信技術有三種：

WirelessHART：作為HART7技術規范的一部分，它增加了HART協議的無線能力，是第一個過程自動化領域的無線傳感器網絡國際標準，彌補了高可靠、低功耗及低成本的工業無線通信市場的空缺。有之前大量HART設備用戶做基礎，WirelessHART發展不容小覷。

ISA100.11a：是第一個開放的、面向多種工業應用的標準族，可支持的無線設備包括傳感器、執行器、無線手持設備等現場自動化設備，具有數據傳輸可靠、準確、實時、低功耗等特點，同時也考慮了與其他短距離無線網絡的共存性問題。目前這一標準在歐美企業中已見中等規模的網絡部署。

WIA：是一種高可靠性、超低功耗的智能多跳無線傳感網絡技術，可實現自組織、自治愈的Mesh網絡，包括WIA-PA和WIA-FA兩項IEC國際標準。WIA-PA是一種適合于復雜工業環境應用的無線通信網絡協議，在冶金、石化等領域已得到應用； WIA-FA技術是針對工廠自動化高實時、高可靠性要求的無線技術，可廣泛應用于離散制造業裝備與傳感器、變送器、執行機構等建立安全、可靠、硬實時的無線連接。

表1，工業物聯網主流無線通信技術特性

除了上述的三種專用的工業物聯網無線通信技術，其他通用的無線技術也在向工業領域滲透， 不論是WiFi、ZigBee、BLE等無線局域網協議，還是LTE-M、NB-IoT等低功耗廣域網絡（LPWAN）技術，以及NFC這種近場無線通信技術，都已將工業作為一個重要的市場支點，希望在工業物聯網市場中切得自己的一份“蛋糕”。

總之，以不斷進化的工業以太網為數據傳輸主框架，以多元化的無線通信技術作為快速外延的數據觸角，一個龐大而細密的工業物聯網已經在我們面前展開。以此為基礎，數據將會成為一種新的“燃料”，為新的工業革命提供源源不斷的能量。

圖2，安富利開發的NB-IoT開發平臺，方便開發者將LPWAN技術應用于工業抄表和傳感網絡