實現工業4.0的無線標準是什么

　　Bernd?Hantsche?（儒卓力?嵌入式及無線產品?營銷總監）

　　摘?要：隨著業界實施工業4.0，除千兆線路外，無線技術將會越來越多地在工業領域中大展拳腳?，F在的問題不再是無線技術會否發展，而是將如何及何時發揮作用。本文探討了多種無線標準的特點。

　　關鍵詞：工業4.0；無線；ZigBee 3.0；mesh；LoRa

　　測量和控制數據的無線傳輸標準已有長足發展，這甚至使近期評論家們重新思考其立論“我們的系統必須正常運行——無線技術不夠安全”。但是，究竟哪種標準最合適，還是要取決于具體應用。

　　1 現場級別I：靠近工件，但必須靈活、自給自足且免維護

　　在較新的生產線上，第一批無需電纜和滑動觸點運作的傳感器和執行器格外引人注目。它們安裝靈活，可以在生產過程中實現全新的運動順序。先前，導致生產停頓的扁平電池一直是未安裝此類解決方案的最常見原因。但是現在，自供電的傳感器和執行器經受住了考驗。借助能量收集模塊，它們能將周圍的光能或熱量差異轉換為足夠的電能，從而能夠可靠地通過長達數百米的短距離無線連接發送數據包。如果在任一時刻它無法從環境中獲取足夠的能量，則本地的能量存儲單元可確保數周無故障運行。除了1 GHz以下的EnOcean協議外，還可以使用2.4 GHz頻段上的藍牙5和ZigBee 3.0協議將傳感器和執行器進行聯網。

　　ZigBee聯盟似乎從過去的錯誤中學到了經驗。因此，3.0版本不僅用于Amazon Echo、Philips Hue、宜家Tr?dfri和Osram Lightfy，而且由于其規格，在工業領域中也很流行。兼容的EnOcean模塊組合可幫助ZigBee應用進行能量收集。像無線堆棧一樣，無線單元基于Nordic Semiconductor提供的半導體器件。對于直接的P2P連接或者與智能手機、平板電腦或筆記本電腦的交互使用，同樣可以使用藍牙連接，并且藍牙連接是完全自供電的。

　　如果需要更大的傳輸范圍，或者由于頻率計劃而無法在站點上使用2.4 GHz頻段，則EnOcean聯盟的EnOcean協議提供了可靠的選擇方案。這可以部署EnOcean模塊用于能量轉換和無線通信。作為分銷商，儒卓力與EnOcean GmbH、EnOcean Alliance以及Nordic Semiconductor合作。這意味著全行業的開發人員都可以找到解決方案，即便是針對特定軟件的改編和更復雜的問題。

　　2 現場級別II：隨時接收——在工廠大樓內交叉鏈接

　　在更復雜的較大型網絡中，使用傳感器或執行器連接到網關、集線器或邊緣計算機，這種看起來完美的解決方案（因其免維護且自給自足）很快達到了極限。特別是對于非時間同步的mesh拓撲，每個無線節點必須永久處于接收狀態，以便接收傳入的數據包并確保立即對其進行處理。這需要提供永久性的更密集能量。在固定無線節點的情況下，可以使用有線電源，而對于“浮動”無線節點，空中燃料充電技術是一種與Qi充電技術相比移動性更強的移動替代方案。而滿足不同需求的最佳折衷方法通常是傳統電池。

　　許多無線標準（例如藍牙Mesh、Wi-Fi Mesh和ANT Blaze）以往雖然都基于星形拓撲，但這幾年來都提供mesh拓撲。ZigBee、Thread和其他一些軟件從一開始就設計用于mesh網絡通信。Wi-Fi Mesh幾乎可以實現零電源管理，而上面提到的其他所有mesh系統充電一次即可工作數月。

　　與使用ZigBee控制LED光源的家居領域相比，很明顯，未布線的藍牙Mesh為倉庫和生產車間、開放式辦公室和走廊中的工業照明系統設定了標準。與專門路由數據包的傳統方法不同，mesh數據流可確保特別快速的反應和吞吐量時間。盡管如此，智能電話和類似產品仍可以集成到網絡中，與必須通過路由器才能連接IT設備的其他無線標準相比，它提供了另一個巨大的優勢。

　　藍牙Mesh是理論上可以放置在任何藍牙4.0硬件上的中間層。但是，由于藍牙技術聯盟設定了最新的定價系統，因此在設計新系統時，最好使用最新的藍牙5或5.1硬件。儒卓力提供來自意法半導體、Redpine Signals、Nordic Semiconductor和Toshiba的帶有相關堆棧的半導體產品。如果你希望采用集成高頻電路和認證的解決方案，則可以選擇來自InsightSiP、佳明（Garmin）、松下、村田、Telit、富士通、云里物里（Minew）和Redpine Signal的藍牙Mesh模塊。

　　3 現場級別III：視野范圍之外，但緊密相連

　　在物流中心、火車站和港口等轉運點，遠程無線技術是首選方案。在使用公共和免許可證ISM頻段的技術中，LoRa技術已在大多數中歐國家中被認可。法國和荷蘭主要是因為其良好的網絡擴展而選擇了Sigfox技術。

　　但是，2019年出現了變化趨勢：根據地區和應用的不同，用于窄帶物聯網的Cat M1和Cat NB1 4G標準已經實現了強勁的增長。初始測試階段已經進入批量生產。而LTE-M可用于可更換電池的跟蹤應用，LTE NB1消耗的能量則更少。

　　然而，許多國家正在擴展網絡，并且正在部署低功耗移動無線技術。德國移動無線供應商顯然主要集中在計量市場。由于已安裝的電表、氣表或水表不會移動，因此在連接期間無需更改移動無線單元。其他國家/地區的提供商則傾向于選擇跟蹤移動對象的應用，并且專注于擴展類別M1。大多數移動無線模塊制造商同時支持兩種網絡。儒卓力提供來自Telit、NordicSemiconductor、村田、Telic、研華的解決方案，并很快將提供來自其他特許經營合作伙伴的產品。

　　像2G、3G和常規4G模塊一樣，LTE M1收發器也經常與全球導航衛星系統（GNSS）結合到一個外殼中，因為它們用于跟蹤和監視集裝箱、車輛、高端商品、人與動物的位置和移動。位置必須通過移動無線網絡進行定義和傳輸。幾年前，GPS是個幾乎沒有競爭的導航系統。不過，俄羅斯Glonass和中國北斗系統成為了GNSS替代方案，盡管它們還沒有完全達到美國導航體系的標準。2019年歐洲伽利略衛星導航系統取得了突破，它已經在數百萬部智能手機中成功運行了一段時間。2019年，伽利略系統決定免費提供更高的跟蹤精確度，因此在免費使用第一層數據方面，伽利略系統現在已領先于GPS系統。此外，伽利略是唯一提供身份驗證功能的系統。這確保了接收到的信號實際上來自伽利略系統而不是來自偽發射臺。但是，幾乎所有用戶都會被建議并行安裝盡可能多的導航系統。由于使用了更多的衛星，所以大多數現代的多GNNS接收器都可以工作得更快速、更節能和更準確。然而，我們應該為將來的變化做好準備，在其中一個系統出現故障時能及時做出反應。模塊中的NB1或M1調制解調器可用于更改固件設置。

　　對于使用帶有LoRa、Sigfox、Wi-Fi或藍牙的GNSS應用，必須確保在主機控制器中接入GNSS單元操作模式的相應選項。通常，創建一個NMEA控制命令，告訴接收器應該使用哪個系統以及忽略哪個系統就足夠了。此項遠程功能必須始終手動實現，在最壞的情況下，它可能會對應用造成災難性的影響，但也可以挽救生命或生意業務。

　　4 流程級別：歡迎使用第6代Wi-Fi

　　在處理級別，來自各個工作站的所有數據將被收集起來。通常，在現場級別傳感器上收集的數據并不能立刻使用。為了從中獲取信息，需要對數據進行最低程度的初步處理。對于許多應用而言，能夠比較并行接收的多個現場數據是有利的。另外可以建立精心設計的模式匹配算法，不僅可以與兩種靜態模式進行比較，但也需要不斷調整其參考值。為了應對這個問題以及類似的計算密集型任務，通常使用基于x86的重型系統。

　　目前這個趨勢朝互連方向發展，并且朝著從系統級別到無線技術的方向發展。但是，第6代Wi-Fi不僅比早期的Wi-Fi更快速，而且在為訂戶提供更好的連接管理方面也獨樹一幟，在專業安裝方案中的得分特別高。另一個優點是在即將推出的5G網絡改善了頻率分配。通過與英特爾結為技術合作伙伴，儒卓力能夠從一開始就為其客戶提供面向市場的Wi-Fi 6解決方案。工業PC、面板PC和NUC對m.2 PC卡的需求特別大。

　　5 系統級別：取決于位置

　　系統級別的技術選擇在很大程度上取決于復雜性和當地情況，例如工廠現場的范圍或操作頻率計劃。對于較小的動態操作，Wi-Fi 6可以作為解決方案，而對于具有非常靜態安裝的較大型企業，有線解決方案仍將是合適方案。然而，一旦5G技術可用且價格可承受，就必須重新考量這些安裝。

　　6 運作級別：較早一代技術仍然是可行選擇

　　在不同工廠之間進行通信時，信息預先被壓縮得非常密集，因此傳統的LTE足以應付數據吞吐量和等待時間，即便在大型國際企業中也是如此。那些希望確保其有線現場互聯網連接的用戶，已經可以經由LTE路由器通過移動無線技術傳輸重要的關鍵運營數據。

　　在用戶選擇現場級別的情況下，這是單個傳感器數據的問題，通常主要針對較低的LTE類別，在運作級別上，有可能選擇LTE類別6或更高級別。功耗和調制解調器的價格可以忽略，因為計算機始終使用主電源運行，并且僅使用了很少的LTE調制解調器或LTE路由器。Telit、Telic和研華提供PC卡、外部調制解調器和路由器等解決方案。例如，一個單獨的整體解決方案可以與英特爾或華碩服務器結合使用，后者配置有Telit的LTE調制解調器和英特爾的WiFi 6卡。

　　7 無線自動化的更多發展趨勢

　　另一項技術在終端用戶智能手機領域取得成功之后，也在工業環境中取得了進展。13.56 MHz RFID技術可實現有源閱讀器與無源應答器之間以及兩個有源閱讀器之間的安全交換。由于它幾乎與所有現代平板電腦和智能手機兼容，因此可以使用經濟型的標準硬件。通常不需要部署較昂貴的特殊設備，例如RFID電子槍。除了低硬件成本之外，它還提供了軟件編程優勢。

　　對于那些希望使用RFID實現更長距離讀取或一次性掃描多個應答器的應用，仍然需要使用其他頻率或者在有源系統上進行查看。在這種情況下，應答器不是由讀取器的電磁場提供電能的，而是通過負載耦合進行通信的，不過它們具有自己的電源（通常是電池或太陽能），并且基于藍牙或類似的專有無線協議在2.4 GHz頻段中進行通信。

　　在既不使用固定電纜也不進行能量收集的情況下，即使是低功耗藍牙之類的經濟型無線連接也會很快耗盡電池，因此越來越多的工業應用選擇了ANT協議。例如，第一個飛行時間傳感器不久將可用于高精度距離映射，而這要求的功耗很低。

　　此外，ANT在大多數安卓智能手機都是出廠時可用的，并且采用多協議SoC解決方案的設備可以在藍牙網絡中傳輸數據流量，而不會產生進一步的硬件成本。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第12期第29頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。