簡介

工業聯網機器可以感知眾多信息，以用于工業物聯網 (IIoT) 中的關鍵決策。邊緣節點中的傳感器可以在空間上遠離任何數據聚合點。它必須通過將邊緣數據連接到網絡的網關進行連接。傳感器構成工業物聯網生態系統的前端邊緣。測量階段將檢測到的信息轉換為壓力、位移、旋轉等可量化數據。可以對數據進行過濾，只連接節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，只要關鍵數據可用即可作出關鍵決策。

檢測、測量、解讀、連接

邊緣節點一般必須通過有線或無線傳感器節點 (WSN) 連接到網絡。在信號鏈的這一部分中，數據完整性仍然十分關鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，則優化檢測和測量數據幾乎沒有價值。理想情況下，要在系統架構設計期間預先設計魯棒的通信協議。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)，工業有線通信發揮著關鍵作用。遠距離傳感器節點可以用無線網絡向網關回傳信息，網關則依賴有線基礎設施。數量較少的連網物聯網節點會一律使用有線通信，因為多數這些設備會采用無線連接。借助有效的工業物聯網連接策略，可以將傳感器安裝在可以檢測到有價值信息的任何地方，不僅是現有的通信設施和電源基礎設施所在之處。

傳感器節點必須有與網絡通信的方法。以太網在有線領域占據主導，因為工業物聯網框架把更高層的協議映射于這類連接上。具體的以太網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網主干網，用于連接云中的服務器群。1

KNX一類的低速工業網絡是基于雙絞線，采用差分信令模式傳輸數據，電源電壓為 30 V，總帶寬為 9600 bps。雖然每段只能支持數量有限的地址 (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。

工業無線網絡面臨的挑戰

在考慮采用哪種通信和網絡技術時，工業物聯網無線系統設計師面臨諸多挑戰。為此，需要高度重視以下制約條件：

?范圍

?間歇性連接與連續性連接

?帶寬

?功率

?協同能力

?安全性

?可靠性

范圍

范圍指接入網絡的工業物聯網設備傳輸數據的距離。以米為單位的短程個人局域網 (PAN) 可以用于通過 BLE 進行設備調試的情況。長達數百米的局域網 (LAN) 則可用于安裝在同一棟建筑中的自動化傳感器。廣域網 (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。

選擇的網絡協議應與工業物聯網的具體應用案例要求的范圍相匹配。例如，對于工作距離為數十米的室內局域網應用，4G 蜂窩網絡在復雜程度和功率方面就不合適。在要求范圍內傳輸數據有困難時，邊緣計算不失為一種替代方案。在邊緣節點進行數據分析，而不是把數據傳輸到其他地點進行處理。

發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實范圍。空氣濕度可能會吸收射頻能量。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的最大信號路徑損耗。例如，在 2.4 GHz 工業、科研和醫療 (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 為從發射器到接收器的距離，單位為米。自由空間功率損失 (FSPL) 與發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 = 發射頻率

給定已知發射頻率和要求的距離，則可以計算目標發射和接收對的 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的數據速率。它限制了可以從工業物聯網傳感器節點采集數據的最大速率以及向下游傳輸數據的最大速率。考慮這些因素：

?每臺設備隨時間推移產生的數據總量

?網關中部署和聚合的節點數

?以恒定數據流或間歇性突發方式存在的突發數據高峰期需要的可用帶寬

網絡協議的包大小最好與傳輸的數據大小相匹配。發送含有空數據的包會造成效率下降。然而，把大數據塊分割成過多小包也會開銷一定的資源。工業物聯網設備并非始終連著網絡。為了節省電量或帶寬，它們可以周期性地連網。

功耗與協同能力

如果工業物聯網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。可以在不同的網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據需要的功耗相匹配。3

網絡中不同可能節點之間的協調配合可能是個挑戰。為了維持互聯網的協調能力，傳統方法是采用標準有線和無線協議。為了跟上新技術的快速發展步伐，很難實現新的工業物聯網流程的標準化。以工業物聯網生態系統為例，看看符合現有解決方案需要的最佳技術。如果技術被廣泛運用，則實現長期協調配合的概率會更高。

安全性

工業物聯網的網絡安全性在系統中起著三個重要的作用：機密性、完整性和真實性。機密性要求網絡數據只停留在已知框架中，不允許數據被外部設備破壞或截獲。數據完整性要求消息內容與發射數據完全相同，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據。以虛假身份進行錯誤通信是虛假身份驗證的一個例子。

連接不安全網關的安全無線節點會造成安全漏洞，有可能遭到破壞。數據時間戳有助于發現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據。

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

頻段

物聯網無線傳感器可以在蜂窩基礎設施中使用特許執照頻段，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應用會占用 ISM 頻段中免執照頻譜。

IEEE 802.15.4 低功耗無線標準可能是諸多工業物聯網應用的理想選擇。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 不是文件傳輸的理想選擇，更適合小塊數據。一個主要優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，數據速率為 1 Mbps。

表 1.IEEE 802.15.4 頻段與通道分配

在確定用于工業物聯網解決方案的最佳頻段時，要考慮 2.4 GHz ISM 解決方案的優點和缺點：

優點

?多數國家或地區均免執照

?所有地區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高數據速率

?可實現 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，數量眾多，因而會形成許多干擾源信號

通信協議

通信系統中用來格式化數據和控制數據交換的一組規則和標準。開放系統互連 (OSI) 模型將通信分解成不同的功能層，以便更容易地實現可擴展的互操作型網絡。OSI 模型有七個層次：物理 (PHY) 層、數據鏈路層、網絡層、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) 數據鏈路次層和?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。這一層負責數據成幀以實現可靠通信，同時管理對目標無線電通道的訪問操作。

網絡層在整個網絡中路由數據并對數據尋址。互聯網協議 (IP) 正是在這一層中提供 IP 地址，并將IP包從一個節點帶到另一個節點。

在運行于網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。互聯網上的連網設備主要采用傳輸控制協議 (TCP)，并將其作為首選傳輸協議。

應用層對數據進行格式和管理，以針對節點傳感器的具體應用優化數據流。TCP/IP 堆棧中一個常見的應用層協議是用于通過互聯網傳輸數據的超文本傳輸協議 (HTTP)。

FCC Part 15 規則將ISM頻段中發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，發射功率為 24 dBm，總 EIRP 為 48 dBm。發射功率應至少達到 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

工業物聯網意味著連接范圍廣，要用多個有線和無線標準來實現。然而，若要安裝到現有網絡系統中，選擇可能并不多。可能需要對新的工業物聯網解決方案進行改造，以適應網絡需求。

全新安裝是指在全新的環境中從零開始安裝。不存在傳統設備的限制。例如，在建設新廠房或倉庫時，可以在框架規劃中考慮工業物聯網解決方案，以達到最優性能。

原地部署是指在原有基礎設施中安裝的工業物聯網網絡。挑戰尤其明顯。傳統網絡可能并不理想，但新的工業物聯網系統必須與會產生干擾源射頻信號的任何現有系統共存。開發人員在受限的環境下，繼承硬件、嵌入式軟件和以前的設計決策。因此，開發過程變得非常艱難，需要進行認真嚴謹地分析、設計和測試。6

網絡拓撲結構

IEEE 802.15.4 協議規定了兩個設備類別。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，因為它不能成為網絡協調器。它只能在簡單的 IEEE 802.15.4 實施方案中與網絡協調器通信。根據具體應用，有多種網絡模型：點對點模型、星模型、網模型和多跳模型。

圖 4.網絡模型：點對點、星形、網狀和多跳拓撲結構。

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

星形模型將總輻射范圍擴展至兩個節點的傳輸距離，因為該模型用一個 FFD 作為主控節點，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生故障。

Mesh (網狀)網絡允許任何節點進行通信或跳過任何其他節點。這就提供了冗余的通信路徑，可增強網絡的強度。智能型 Mesh 網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境的變化，允許節點抵達或離開網絡環境。

可靠性

工業物聯網客戶在做出訂購決策時，最看重的是可靠性和安全性。企業一般用復雜的大型集群進行數據分析，其中可能存在大量的瓶頸問題，包括數據傳輸、數據索引和數據抽取，以及轉換和加載流程等。每個邊緣節點的高效通信對防止下游集群中出現瓶頸問題至關重要。5

工業環境通常非常惡劣，不利于射頻波的有效傳播。形狀不規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射天線，“多路徑”指射頻波在到達接收器之前會受到環境傳播的影響。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生變化，形成復合波，結果會在目標接收器端產生破壞性的干擾。

CSMA-CA 通道訪問

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

圖 5.隱藏節點 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“請求發送”和“允許發送”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，提高隱藏節點的發射功率可以延長其觀察距離。

協議

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。二進制數據被細分成兩個連續的比特，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。一個數據位 (Tbit) 偏移時間常量被引入比特流中。這樣，數據在時間上偏移符號周期的一半，結果可以避免節點 X 和 Y 的波形同時躍遷。連續相位步進不得超過 ±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射和接收數據。O-QPSK 要求通過同時發射兩個編碼位，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 250 kbps 的數據速率。

可擴展性

并非所有物聯網都要求采用外部IP地址。對于專用通信，傳感器節點應能支持唯 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網的發展需要。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 網絡中映射數據和管理地址對設計提出了較大的挑戰。6LoWPAN 定義了封裝和報頭壓縮機制，支持通過基于 IEEE 802.15.4 的網絡發送和接收 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器和有線協議。低功耗 ADRF7242 支持 IEEE 802.15.4、可編程數據速率和調制方案，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網絡協議的模塊和開發套件系列。SmartMesh? 無線傳感器是芯片和預認證 PCB 模塊，帶網狀組網軟件，使傳感器可以在惡劣的工業物聯網環境中進行通信。

圖7.相變 ±90°(左)及 I/Q O-QPSK 選項(右)。