IIoT智能化過程中繞不開的那些邊緣節(jié)點通信系統(tǒng)設(shè)計要點

　　根據(jù)埃森哲的研究報告，全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，簡稱IIoT)市場規(guī)模預計在2020年將超過5,000億美元。基于當前的投入水平，到2030年預計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為世界經(jīng)濟帶來的收益至少在10萬億美元。同時，IDC數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示未來超過75%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲存。然而在IIoT的邊緣計算領(lǐng)域，很多基本的重大問題仍然懸而未決，或者仍有很大的改進空間，包括邊緣側(cè)通信系統(tǒng)的連接性、易管理性、可擴展性、可靠性、安全性等。

　　有線通信or無線網(wǎng)絡(luò)?

　　通常而言，IIoT邊緣節(jié)點一般必須通過有線或無線傳感器節(jié)點(WSN)連接到網(wǎng)絡(luò)。在信號鏈的這一部分中，數(shù)據(jù)完整性仍然十分關(guān)鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，則優(yōu)化檢測和測量數(shù)據(jù)幾乎沒有價值。理想情況下，要在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計期間預先設(shè)計魯棒的通信協(xié)議。

　　在連接的魯棒性至關(guān)重要的情況下(如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET和ModbusTCP)，工業(yè)有線通信發(fā)揮著關(guān)鍵作用。遠距離傳感器節(jié)點可以用無線網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)關(guān)回傳信息，網(wǎng)關(guān)則依賴有線基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)量較少的聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點會一律使用有線通信，因為多數(shù)這些設(shè)備會采用無線連接。借助有效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)有的通信設(shè)施和電源基礎(chǔ)設(shè)施所在之處。

　　傳感器節(jié)點必須有與網(wǎng)絡(luò)通信的方法。以太網(wǎng)在有線領(lǐng)域占據(jù)主導，因為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架把更高層的協(xié)議映射于這類連接上。具體的以太網(wǎng)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(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)，用于連接云中的服務(wù)器群。

　　對于想要走智能化道路的IIoT來說，在考慮采用哪種通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，解決面臨的以下諸多挑戰(zhàn)成功部署無線網(wǎng)絡(luò)則是一條必經(jīng)之路。

　　范圍、帶寬、功率、安全性與可靠性……一個也不能少

　　接入網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的距離是部署通信系統(tǒng)需要首要考慮的一個重點。以米為單位的短程個人局域網(wǎng)(PAN)可以用于通過BLE進行設(shè)備調(diào)試的情況，長達數(shù)百米的局域網(wǎng)(LAN)則可用于安裝在同一棟建筑中的自動化傳感器。廣域網(wǎng)(WAN)以千米為單位，其應用包括安裝在大型農(nóng)場里的農(nóng)用傳感器。選擇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(shù)十米的室內(nèi)局域網(wǎng)應用，4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在復雜程度和功率方面就不合適。在要求范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)有困難時，邊緣計算不失為一種替代方案。

　　短程無線鏈接

　　而帶寬限制了可以從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的最大速率以及向下游傳輸數(shù)據(jù)的最大速率，需要考慮每臺設(shè)備隨時間推移產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量、網(wǎng)關(guān)中部署和聚合的節(jié)點數(shù)以及以恒定數(shù)據(jù)流或間歇性突發(fā)方式存在的突發(fā)數(shù)據(jù)高峰期需要的可用帶寬三大因素。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包的大小最好與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小相匹配，發(fā)送含有空數(shù)據(jù)的包會造成效率下降。

　　如果工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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。同時可以在不同的網(wǎng)絡(luò)負載條件下模擬設(shè)備的功耗，這樣可以確保設(shè)備的電源和電池容量與傳輸必要數(shù)據(jù)需要的功耗相匹配。

　　網(wǎng)絡(luò)中不同可能節(jié)點之間的協(xié)調(diào)配合也是個挑戰(zhàn)。為了維持互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)能力，傳統(tǒng)方法是采用標準有線和無線協(xié)議。為了跟上新技術(shù)的快速發(fā)展步伐，很難實現(xiàn)新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)流程的標準化。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)為例，看看符合現(xiàn)有解決方案需要的最佳技術(shù)，如果被廣泛運用，則實現(xiàn)長期協(xié)調(diào)配合的概率會更高。

　　此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全性在系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)只停留在已知框架中，不允許數(shù)據(jù)被外部設(shè)備破壞或截獲;數(shù)據(jù)完整性要求消息內(nèi)容與發(fā)射數(shù)據(jù)完全相同，不改變、減少或增加信息;真實性則要求從符合預期的獨家來源接收數(shù)據(jù)。連接不安全網(wǎng)關(guān)的安全無線節(jié)點會造成安全漏洞，有可能遭到破壞。數(shù)據(jù)時間戳有助于發(fā)現(xiàn)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(guān)鍵時間數(shù)據(jù)。

　　頻段、通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)選擇有訣竅

　　物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器可以在蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施中使用特許執(zhí)照頻段，但這些設(shè)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(yè)應用通常選擇會占用ISM頻段中免執(zhí)照頻譜。IEEE 802.15.4低功耗無線標準可能是諸多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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。

　　藍牙低能耗(BLE)是一種功耗大幅減小的解決方案，它不是文件傳輸?shù)睦硐脒x擇，卻更適合小塊數(shù)據(jù)。其主要優(yōu)勢是與競爭技術(shù)相比，已與移動設(shè)備廣泛集成，所以更具普遍性。藍牙4.2核心規(guī)范采用高斯頻移調(diào)制，工作頻段為2.4 GHz ISM，范圍為50米至150米，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps。

　　IEEE 802.15.4 頻段與通道分配

　　通信協(xié)議則是通信系統(tǒng)中用來格式化數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)交換的一組規(guī)則和標準。開放系統(tǒng)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(xiàn)可擴展的互操作型網(wǎng)絡(luò)。OSI模型有七個層次：物理(PHY)層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

　　OSI與TCP/IP模型

　　IEEE 802.15.4協(xié)議還規(guī)定了兩個設(shè)備類別，全功能設(shè)備(FFD)可以用在任何拓撲結(jié)構(gòu)中，作為PAN協(xié)調(diào)器與任何其他設(shè)備通信;精簡功能設(shè)備(RFD)僅限于星形拓撲結(jié)構(gòu)，因為它不能成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它只能在簡單的IEEE 802.15.4實施方案中與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。根據(jù)具體應用，有多種網(wǎng)絡(luò)模型：點對點模型、星模型、網(wǎng)模型和多跳模型。

　　網(wǎng)絡(luò)模型：點對點、星形、網(wǎng)狀和多跳拓撲結(jié)構(gòu)

　　在此趨勢下趨勢，亞德諾半導體(ADI)針對AduCx系列微控制器，以及Blackfin系列DSP提供支持有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的全套無線模擬收發(fā)器。例如低功耗無線大功率收發(fā)模塊方案ADRF7242支持IEEE 802.15.4、可編程數(shù)據(jù)速率和調(diào)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(zhí)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。此外，ADI公司還提供完整的WSN開發(fā)平臺，助力定制解決方案的設(shè)計。