第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）為機器帶來了更多的智能和自動化設施的效率和靈活性。這些日益復雜的系統(tǒng)推動了無線通信在工業(yè)環(huán)境中的應用。畢竟，工業(yè) 4.0 智能機器和模塊化自動化的定義如下：

• 安全和適應性強的控制連接

• 收集并不斷調整生產過程中的數值

• 用于預見性維護程序的機械狀態(tài)監(jiān)測

• 為實現大數據分析能力而進行聯網

支持這些功能的無線技術都基于蜂窩、Wi-Fi、藍牙和 IEEE 802.15.4 標準和協(xié)議。部分原因是，設計工程師期望來自不同供應商的組件具有兼容性——根據定義，必須通過行業(yè)標準接口而不是專有接口進行連接。事實上，互操作性只是工業(yè) 4.0 的一個方面。

圖 1：無線連接是協(xié)調材料處理和協(xié)作機器人任務的關鍵。（圖片來源：Getty Images）

納入無線通信的單個設備通常比有線網絡的成本更高。然而，這種前期成本的增加能以多種方式抵消，而且從長遠來看，無線設備往往被證明是最具性價比的選擇。原因是在生產區(qū)域鋪設電纜的成本可能很高。規(guī)劃電纜敷設路徑及其連接器是一項很費力的工作。另外，電纜需要保護，需要電纜槽架或支撐件的支撐，還需要接線盒和其他附件。規(guī)劃、訂購和安裝所有這些與電纜有關的五金件，會延長網絡實施時間。 基于 Wi-Fi 的自動化標準

電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE) 于1997 年發(fā)布了 802.11 標準，定義了局域網(LAN) 的無線實施標準。為了確保市場能充分執(zhí)行這一標準，行業(yè)聯盟Wi-Fi Alliance很快跟進——由有意向建立測試和認證計劃的無線設備公司牽頭，來保持跨供應商產品的互操作性。今天，通過 IEEE 802.11 定義的 Wi-Fi 標準得到了 Wi-Fi Alliance 標準化的更多補充，使得符合各項要求的設備還具有非?？煽康募嫒菪浴?/span>

圖 2：工業(yè) 4.0（也稱為工業(yè)物聯網或 IIoT）與無線技術的采用密不可分。這些無線技術采用標準化接口，允許各種設備和計算系統(tǒng)之間進行連接，包括用作人機界面的移動設備（如圖所示）以及無數其他用于互通機器狀態(tài)信息的現場無線組件。（圖片來源：Getty Images）雖然 Wi-Fi 對于監(jiān)控應用和將機器連接到企業(yè)級系統(tǒng)相當有用，但由于在速度、延遲和連接穩(wěn)定性方面的問題，使這種技術在機器控制相關的高要求工業(yè)自動化應用中的使用受到限制。這意味著今天工業(yè)應用中的 Wi-Fi 大多僅限于要求不太嚴格的情況。其中包括：

• 與制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 進行數據通信的條形碼掃描儀，可容忍一兩秒的延遲。

• 不涉及實時控制功能的運動傳感器

• 使用傳感器長期進行機器狀態(tài)監(jiān)測，如加速度計（跟蹤一段時間內的振動產生情況）以及溫度、壓力、濕度和氣體濃度傳感器，用于監(jiān)測設備的效率和健康狀態(tài)。

圖 3：盡管不適合用于機器控制，但 Wi-Fi 對于機器監(jiān)測應用、連接工廠車間和企業(yè)級系統(tǒng)是非常有用的。（圖片來源：Wi-FiAlliance）

目前，讓 Wi-Fi 技術適應工業(yè)控制應用已嘗試過多次，但成功率有限。但是有一個協(xié)議例外，那就是在 IIoT 方面有些成功運用的工業(yè)自動化和過程自動化無線網絡 (WIA-PA) 協(xié)議。這是一種來自中國的工業(yè)無線通信標準。

當然，Wi-Fi 的工作頻率為 2.4 或 5 GHz，頻率越高數據傳輸速度越快，但由于更高的頻率在穿過墻壁和其他固體物體時更容易出現耗散，因此傳輸范圍也會減小。專用標準是使用其他頻段的。例如，IEEE 802.11ah 低數據 Wi-Fi(HaLowWi-Fi) 在 900MHz 左右運行——通常用于需要擴大范圍和極低功耗的傳感器。另一種極端情況是，IEEE 802.11ad Wi-Fi(WiGig) 的工作頻率為 60 GHz 左右，可實現非?？斓臄祿鬏?。 基于 IEEE 802.15.4 的無線標準 其他可選的無線協(xié)議是 IEEE 802.15.4 標準定義的低速率無線個人局域網絡或LR-WPAN。LR-WPAN 技術優(yōu)先考慮低成本和低功耗，而不是速度和傳輸距離。根據其基本規(guī)格參數，LR-WPAN 通信的數據傳輸率可達 250 kb/s，傳輸距離可達 10 m。這種技術旨在實現低成本設備之間的通信，而無需任何其他的通信基礎設施。諸如6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 等基于 IEEE 802.15.4 標準的協(xié)議正在迅速成為首選的 IIoT 協(xié)議。

1.WirelessHART：由 HART Communications Foundation、ABB、西門子和其他公司支持的WirelessHART 的協(xié)議，該協(xié)議基于 802.15.4。這是一個得到良好支持的、強大的工業(yè)自動化應用標準。使用具有時間同步功能的跳頻網狀網絡來維持網絡的可靠性。相比之下，大多數基于 Wi-Fi 和蜂窩技術的無線通信協(xié)議都使用了不太穩(wěn)健的星形網絡拓撲結構，要求所有設備都與中央設備相連。所有通信都使用 128 位 AES 加密，且用戶訪問可能受到嚴格的控制。

圖 4：LTP5903-WHRSmartMesh 網絡管理器支持線路供電式 WirelessHART 網關，從而讓工程師能夠整合一個基于標準的無線傳感器網絡，以實現可擴展雙向通信。（圖片來源：AnalogDevices）

由于 WirelessHART 使用網狀網拓撲結構，因此數據可以在設備之間直接路由。這可以擴大網絡范圍，形成冗余通信路徑。這樣，如果其中一個路徑出現故障，發(fā)送方就會自動切換到一個冗余路徑。跳頻還能使 WirelessHART 避免干擾問題。

2.6LoWPAN：低功耗無線個人局域網絡上的 IPv6（通常稱為6LoWPAN）是一個協(xié)議，允許 IPv6 數據包在基于IEEE 802.15.4 的網絡上傳輸。這意味著功耗非常低的設備可以連接互聯網，以使其非常適合物聯網傳感器和其他低功耗設備。

3.ZigBee：由Zigbee 聯盟維護并且在智能家居和樓宇自動化應用中使用最廣泛，ZigBee 可能是最成熟的基于 IEEE 802.15.4 的協(xié)議。該協(xié)議讓節(jié)點在大部分時間內保持休眠模式，以大幅延長電池壽命。ZigBee 通常工作在 2.4 GHz 頻段，固定數據傳輸率為 250 kb/s。該協(xié)議可以支持各種網絡拓撲結構，包括星形、樹形和網狀網。樹狀和網狀網拓撲結構擴大了網絡范圍。

圖 5：Zigbee 對工業(yè)環(huán)境中的運動、振動、濕度、溫度和存在傳感器及其他應用都非常有用。（圖片來源：Zigbee 聯盟）

工業(yè)自動化中的低功耗藍牙和蜂窩狀物聯網

低功耗藍牙 (BLE) 是 IEEE802.15.4 的替代協(xié)議。這種情況下，低成本和低功耗是首要任務，可以犧牲速度和傳輸范圍。與標準藍牙相同，該協(xié)議的工作頻率為 2.4 GHz。低功耗藍牙的最大優(yōu)勢在于如何得到了移動操作系統(tǒng)的原生支持，如 OpenHandset Alliance（開放手機聯盟） 的安卓系統(tǒng)、蘋果的 iOS 系統(tǒng)和微軟的 Windows 系統(tǒng)及其各種變體。此外，Logitech Corp.等大型電子產品供應商投入了最多的研發(fā)資金，所以低功耗藍牙仍然主要是消費類設備的無線連接選項也就不足為奇了。這與 WirelessHART 形成鮮明對比，IIoT 應用始終是后者主要關注的對象。

圖 6：低功耗藍牙 (BLE) 標準包括一個串行端口配置文件，各個系統(tǒng)會將其識別為一個完整的串行接口。這對于使用通過 BLE 連接的升級設備來替換有線設備是非常有用的。（圖片來源：Bluetooth SpecialInterest Group）綜上所述，在過去的幾年里，有很多傳感器、遙控器、鎖具和手持設備采用低功耗藍牙執(zhí)行工業(yè)自動化任務。這一趨勢在未來幾年可能會增加。

與 BLE 和基于 IEEE 802.15.4協(xié)議的低功耗、短距離通信相比，蜂窩技術是長距離無線通信。2G GSM 蜂窩協(xié)議大多已被在手機和物聯網設備中普及的 3G 和 4G 高速蜂窩協(xié)議所取代。但問題是，蜂窩通信的電力消耗巨大，因此在工業(yè)應用中，特別是機器上使用這種連接時系統(tǒng)需要連接一個永久的有線連接式電源。蜂窩式 LTE 類別表明了最大的數據傳輸率，盡管它以更高的功耗為代價。LTE Cat-0 和 Cat-1 連接適用于物聯網設備。相比之下，LTE-M 是專門為機器對機器和物聯網應用而設計的低功耗蜂窩協(xié)議。

與其在手機中相對廣泛的使用相比，工業(yè)級 5G 應用還沒有那么成熟。這是因為消費者優(yōu)先考慮下載速度（所以已經迅速采用了入門級 5G 設備），IIoT 系統(tǒng)工程師優(yōu)先考慮低延遲和無死角全面覆蓋。事實上，低延遲在工業(yè)自動化中至關重要。誠然，第一批 5G 網絡已將延遲控制在 30 ms 以下，但人們正努力將延遲進一步降低到只有 1 ms。這對于要求嚴格的實時工業(yè)控制（不僅僅是監(jiān)控）應用來說，速度已經足夠快了，例如在機床中傳輸反饋信號。

5G 技術減少延遲的一種方式是網絡切片。這種網絡技術將網絡的帶寬劃分為不同的虛擬通道，然后對其單獨管理。一些通道專門用于低延遲傳輸，禁止大多數流量使用這種通道。然后，只有需要最高傳輸速率的工業(yè)控制應用才能使用這些專門保留的快速通道。 LoRA 無線協(xié)議的崛起 長距離廣域網絡調制 (LoRA) 是可再生能源、采礦和物流業(yè)的遠程和離岸應用的低成本無線協(xié)議選擇。這是一種低功耗無線技術，可以在甚至超過 10 公里的非常長的范圍內通信，而且僅用一塊電池就可以持續(xù)工作長達 10 年。簡而言之，LoRA 是一種在免許可頻段上運行的非蜂窩技術。該技術采用次千兆赫頻段，如 433MHz 和 915 MHz，以及基于線性調頻擴頻 (SSS) 調制的擴頻調制。這使其非常適用于設置在偏遠地區(qū)且只需適度數據傳輸速率的物聯網設備。LoRA 還具有 128 位加密和認證控制功能。另一個有用的功能是利用設備之間的三邊測量法進行地理定位，尤其適用于 IIoT 應用中的傳感器。

LoRA 使用由Semtech Corp.開發(fā)的專有技術，但也有大量的開源元素。它得到了 LoRa Alliance 的支持（和設備互操作性保證）。LoRa Alliance 是一個包括 IBM、Cisco、TATA、Bosch、Swisscom 和Semtech 在內的大型協(xié)會。

結語 用于工業(yè)自動化的無線協(xié)議比比皆是。每一種都適合特定的應用。對于要求低功耗并接受短距離傳輸的用途，往往受益于 ZigBee 和低功耗藍牙連接。要求更高的工業(yè)應用需要通信的穩(wěn)健性，則可能需要支持WirelessHART 無線連接功能的設備。要求長距離傳輸、高數據速率的應用，則必定使用蜂窩技術。在這里，5G有望改變無線通信。要求在很長的距離內進行數據通信并且電力消耗最少時，最好的選擇通常是 LoRa 技術。

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