適合工業(yè)場景的SmartMesh與時間敏感網(wǎng)絡(luò)

　　王 翔 （ADI中國區(qū)，上海 201203）

　　摘?要：分析了工業(yè)無線連接的特點，以及各種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，介紹了ADI公司的SmartMesh與時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）解決方案。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)；無線；六西格瑪；TSN

　　1 IIoT用無線連接的特點

　　IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要子集，概念涵蓋了工業(yè)領(lǐng)域的各行各業(yè)。與人們?nèi)粘＝佑|到的智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相比，因為IIoT可能直接影響工業(yè)生產(chǎn)的效率、安全和產(chǎn)品質(zhì)量，因此工業(yè)應(yīng)用對IIoT有一些不同于其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求，例如當(dāng)前有很多企業(yè)要求達(dá)到六西格瑪（6 Sigma）的標(biāo)準(zhǔn)要求，那么它的出錯率不能超過百萬分之3.4，也就要求支持這些企業(yè)生產(chǎn)運營的IIoT系統(tǒng)也要能夠滿足這樣的可靠程度。

　　工業(yè)對連接的普遍要求是可靠、低時延、安全。連接分為有線連接和無線連接兩種。由于有線連接有著天然的抗干擾、低時延、高帶寬的優(yōu)勢，傳統(tǒng)上在工業(yè)領(lǐng)域有線連接使用得最多。無線連接的優(yōu)勢在于布置靈活、對場地的要求小、施工方便、少了線纜的成本和質(zhì)量等，因此無線連接在工廠的智能化改造中得到了普遍的青睞。

　　因為IIoT的無線連接是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的，因此不僅要滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，還要盡量減少無線特征自然帶來的劣勢，比如頻率干擾、數(shù)據(jù)掉包、功耗大、傳輸安全等。

　　簡而言之，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景千千萬萬，對無線連接的要求各有不同，但普遍而言，應(yīng)用于IIoT的無線連接必須具備以下幾個特點：

　　1）高可靠。尤其在生產(chǎn)現(xiàn)場，不能出現(xiàn)數(shù)據(jù)掉包現(xiàn)象，因為任何的數(shù)據(jù)掉包將可能帶來產(chǎn)品質(zhì)量的瑕疵。

　　2）抗干擾能力強(qiáng)。無線連接工作在開放的空間，環(huán)境中存在各種頻率的干擾，無線連接必須具備抵御噪聲頻率干擾的能力。

　　3）低功耗。沒有了線纜，只能靠電池供電。功耗越低，更換電池的頻率就越低。

　　4）方便部署。很多工業(yè)現(xiàn)場在最初的設(shè)計中是沒有放置無線通信設(shè)備和傳感器的地方的，后期改造必須因地制宜，這對設(shè)備的體積和傳輸避障等提出較高要求。

　　5）傳輸安全。無線連接的信號是在空中傳輸?shù)?，信號容易被截取，因此通過加密確保信息的傳輸安全也是對無線連接的一大考驗。

　　6）面向未來的能力。無線連接的協(xié)議最好能夠具備互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版（IPv6）支持能力。

　　2 各種無線標(biāo)準(zhǔn)的特點

　　根據(jù)國家《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃（2018—2020）》的描述，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分為企業(yè)外網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，IIoT更側(cè)重于企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)；計劃中將企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)描述為由有線和無線連接有機(jī)結(jié)合而成。因為5G的執(zhí)照剛剛頒布，運營商還在布網(wǎng)的初級階段，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探討和摸索階段，在此先不做考慮。

　　在我國，除了運營商的蜂窩技術(shù)無線連接工作在運營商各自的授權(quán)頻段外，無線連接一般工作在非授權(quán)頻段，一般有433 MHz、470 MHz、800 MHz、900MHz、2.4 GHz、sub-6 GHz等。

　　無線連接的組網(wǎng)方式一般有點對點、星型架構(gòu)和自組網(wǎng)3種。

　　實現(xiàn)無線連接的通信協(xié)議有很多，因為最初都是基于各自的應(yīng)用實踐而開發(fā)的，所以不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)用場景有不同的側(cè)重，組網(wǎng)方式和工作頻段也會有所不同。目前比較常見的工作在運營商授權(quán)頻段的寬帶無線標(biāo)準(zhǔn)有NB-IoT、3G、4G；工作在2.4 GHz的有藍(lán)牙、Zigbee和Wi-Fi；工作在低于1 GHz的窄帶有LoRa、6Lowpan等。

　　當(dāng)前流行的藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee和LoRa以及2/3/4G和NB-IoT等蜂窩通信方案廣泛地應(yīng)用于智能家居、智慧城市、智能樓宇等對可靠性要求不高的非工業(yè)場景；也正是因為這些領(lǐng)域的智能方興未艾，這些也成為大家聽到和接觸得比較多的通信方案。但當(dāng)面對要求比較苛刻的工業(yè)場景時，往往需要專門的通信方案。

　　3 ADI的兩種方案：SmartMesh與TSN

　　由于工業(yè)場景的復(fù)雜性和特殊要求，且目前市場比較通用的通信解決方案往往不能完全滿足要求，因此必須開發(fā)出能夠真正滿足工業(yè)需求的方案。

　　ADI公司推出的基于開放架構(gòu)802.15.4e的SmartMesh無線連接解決方案，是能真正滿足工業(yè)嚴(yán)苛環(huán)境要求的低功耗無線通信解決方案，提供高達(dá)99.999%的可靠保證，具備跳頻功能保證抗干擾的要求，同時提供時鐘同步信息為后臺的數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性提供保障。

　　SmartMesh具備Mesh自組網(wǎng)功能，可以有效避障且長時間工作在嚴(yán)苛的環(huán)境中而保證數(shù)據(jù)包的完整傳輸，例如800 kV的特高壓、嘈雜的無線噪聲環(huán)境、對免維護(hù)要求極高的部署在野外無人區(qū)域的設(shè)施監(jiān)測等；也已經(jīng)在對可靠性要求極高的高速列車和飛機(jī)上使用，以替代線纜實現(xiàn)傳感器的靈活部署、減輕整體質(zhì)量等。

　　除此以外，ADI的FIDO5000系列向客戶提供TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）的解決方案，有效地幫助客戶實現(xiàn)工廠智能化的改造，對工業(yè)現(xiàn)場的高速控制提供通道，已經(jīng)在2019年工信部標(biāo)準(zhǔn)部門組織的測試中得到驗證。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第10頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。