互聯(lián)的工業(yè)機(jī)器可以感知用于在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 中做出關(guān)鍵決策的各種信息。邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳感器在空間上可以遠(yuǎn)離任何數(shù)據(jù)聚合點(diǎn)。它必須通過將邊緣數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。傳感器構(gòu)成了IIoT生態(tài)系統(tǒng)的前端邊緣。測量將感測信息轉(zhuǎn)換為可量化的數(shù)據(jù)，例如壓力、位移或旋轉(zhuǎn)。可以過濾數(shù)據(jù)以僅連接節(jié)點(diǎn)之外最有價(jià)值的信息進(jìn)行處理。低延遲連接允許在關(guān)鍵數(shù)據(jù)可用后立即做出關(guān)鍵決策。

感知、測量、解釋、連接

邊緣節(jié)點(diǎn)通常必須通過有線或無線傳感器節(jié)點(diǎn) （WSN） 連接到網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)完整性仍然是信號鏈這一模塊的關(guān)鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，最佳感測和測量數(shù)據(jù)就沒有多大價(jià)值。理想情況下，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，將設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)大的通信協(xié)議作為預(yù)先考慮。最佳選擇將取決于連接要求：范圍、帶寬、功率、互操作性、安全性和可靠性。

有線設(shè)備

當(dāng)連接的魯棒性至關(guān)重要時(shí)，工業(yè)有線通信起著關(guān)鍵作用，例如EtherNet/IP，KNX，DALI，PROFINET和ModbusTCP。遠(yuǎn)距離傳感器節(jié)點(diǎn)可以使用無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)通信，然后網(wǎng)關(guān)依賴于有線基礎(chǔ)設(shè)施。相對較少的連接物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將專門使用有線通信，因?yàn)檫@些設(shè)備中的大部分將無線連接。有效的IIoT連接策略使傳感器能夠位于任何可以感知有價(jià)值信息的地方，而不僅僅是現(xiàn)有的通信和電力基礎(chǔ)設(shè)施所在的位置。

傳感器節(jié)點(diǎn)必須具有與網(wǎng)絡(luò)通信的方法。以太網(wǎng)傾向于主導(dǎo)有線領(lǐng)域，因?yàn)镮IoT框架在這種類型的連接上映射更高級別的協(xié)議。以太網(wǎng)實(shí)施范圍從 10 Mbps 到 100 Gbps 甚至更高。高端通常針對互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)，以鏈接云中的服務(wù)器場。

速度較慢的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（如 KNX）使用差分信號和總帶寬為 9600 bps 的 30 V 電源通過雙絞銅線對運(yùn)行。雖然每個(gè)分段可以支持有限數(shù)量的地址 （256），但尋址可以支持 65，536 個(gè)設(shè)備。最大網(wǎng)段長度為 1000 m，可選擇讓線路中繼器支持多達(dá) 4 個(gè)網(wǎng)段。

工業(yè)無線挑戰(zhàn)

在考慮采用哪種通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，IIoT無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著許多挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)進(jìn)行高級別審查以下限制：

范圍

間歇性連接與連續(xù)性連接

帶寬

權(quán)力

互操作性

安全

可靠性

范圍

范圍描述了連接到網(wǎng)絡(luò)的IIoT設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的距離。范圍以米為單位的短距離個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 對于通過 BLE 調(diào)試設(shè)備是有意義的。長達(dá)數(shù)百米的局域網(wǎng) （LAN） 可用于安裝在同一建筑物內(nèi)的自動(dòng)化傳感器。廣域網(wǎng) （WAN） 以公里為單位，其應(yīng)用包括安裝在大型農(nóng)場的農(nóng)業(yè)傳感器。

圖1.短距離無線連接。

所選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)與 IIoT 用例所需的范圍相匹配。例如，4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜性和功耗上不適合運(yùn)行在數(shù)十米以上的室內(nèi)LAN應(yīng)用。當(dāng)在所需范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)時(shí)，邊緣計(jì)算可能是一種可行的替代方案。在邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析，而不是將數(shù)據(jù)移動(dòng)到其他地方進(jìn)行處理。 發(fā)射的無線電波遵循功率密度的平方反比定律。信號功率密度與無線電波行進(jìn)距離的平方反比成正比。隨著傳輸距離加倍，無線電波僅保留其原始功率的四分之一。發(fā)射輸出功率每增加 6 dBm，可能的范圍就會翻倍。

在理想的自由空間中，平方反比定律是影響傳輸距離的唯一因素。但是，墻壁、柵欄和植被等障礙物可能會降低實(shí)際范圍。空氣濕度可以吸收射頻能量。金屬物體可以反射無線電波，導(dǎo)致次級信號在不同時(shí)間到達(dá)接收器，并產(chǎn)生破壞性干擾作為額外的功率損耗。

無線電接收機(jī)的靈敏度將決定可以實(shí)現(xiàn)的最大信號路徑損耗。例如，在 2.4 GHz 工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 頻段，最小接收器靈敏度為 –85 dBm。射頻輻射器能量在各個(gè)方向上均勻傳播，形成球體（A = 4πR2），其中R是從發(fā)射器到接收器的距離，單位為米。自由空間功率損耗（FSPL）與發(fā)射器和接收器之間距離的平方與基于弗里斯傳輸方程集的無線電信號頻率的平方成正比。2

其中 Pt = 以瓦特為單位的傳輸功率，S = 距離 R 處的功率

其中 Pr = 接收功率（以瓦特為單位）

λ（以m為單位的透射波長）= c（光速）/f （Hz）= 3 × 108（米/秒2）/f（Hz） 或 300/f （MHz）

其中 f = 發(fā)射頻率

給定已知的發(fā)射頻率和所需距離，可以計(jì)算目標(biāo)發(fā)射和接收對的FPSL。鏈路預(yù)算將采用以下等式的形式：

帶寬和連接

帶寬是在特定時(shí)間段內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。它限制了從IIoT傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并向下傳輸數(shù)據(jù)的最大速率。請考慮以下因素：

每個(gè)設(shè)備隨時(shí)間推移生成的數(shù)據(jù)總量

網(wǎng)關(guān)內(nèi)部署和聚合的節(jié)點(diǎn)數(shù)

支持以恒定流或間歇性突發(fā)方式發(fā)送的突發(fā)數(shù)據(jù)高峰期所需的可用帶寬

理想情況下，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包大小應(yīng)與正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的大小相匹配。發(fā)送填充有空數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包效率低下。但是，將較大的數(shù)據(jù)塊拆分到太多的小數(shù)據(jù)包中也會產(chǎn)生開銷。IIoT設(shè)備并不總是連接到網(wǎng)絡(luò)。它們可能會定期連接以節(jié)省功率或帶寬。

強(qiáng)大功能和互操作性

如果 IIoT 設(shè)備必須使用電池運(yùn)行以節(jié)省電量，則只要設(shè)備空閑，該設(shè)備就可以進(jìn)入睡眠模式?？梢栽诓煌木W(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下對設(shè)備的能耗進(jìn)行建模。這有助于確保設(shè)備的電源和電池容量與傳輸必要數(shù)據(jù)所需的消耗相匹配。3

網(wǎng)絡(luò)中一系列不同可能節(jié)點(diǎn)之間的互操作性可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。采用標(biāo)準(zhǔn)的有線和無線協(xié)議一直是在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)保持互操作性的傳統(tǒng)方法。新的IIoT流程的標(biāo)準(zhǔn)化可能很難跟上新發(fā)布的技術(shù)的快速步伐?？紤]圍繞適合手頭解決方案的最佳技術(shù)的IIoT生態(tài)系統(tǒng)。如果該技術(shù)被廣泛采用，則長期互操作性的可能性更高。

安全

IIoT網(wǎng)絡(luò)安全在系統(tǒng)中起著三個(gè)重要作用：機(jī)密性，完整性和真實(shí)性。機(jī)密性依賴于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)僅停留在已知框架內(nèi)，不允許數(shù)據(jù)從外部設(shè)備泄露或攔截。數(shù)據(jù)完整性取決于消息內(nèi)容與傳輸?shù)膬?nèi)容完全相同，而不更改、減去或添加信息。4, 5真實(shí)性依賴于從預(yù)期的排他性來源接收數(shù)據(jù)。錯(cuò)誤地與欺騙通信是錯(cuò)誤身份驗(yàn)證的一個(gè)示例。

與不安全網(wǎng)關(guān)接口的安全無線節(jié)點(diǎn)是一個(gè)漏洞漏洞，并提供了潛在的漏洞。數(shù)據(jù)時(shí)間戳可以幫助識別是否有任何信號被跳躍并通過側(cè)信道重新傳輸。時(shí)間戳還可用于在無數(shù)不同步傳感器中正確重新組合無序時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

對 AES-128 加密的安全支持可以在 IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11 中的 AES-128/256 中實(shí)現(xiàn)。密鑰管理、加密質(zhì)量隨機(jī)數(shù)生成 （RNG） 和網(wǎng)絡(luò)訪問控制列表 （ACL） 都有助于提高通信網(wǎng)絡(luò)的安全屏障。

頻帶

物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器可能在蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施中使用許可頻段， 但這些可能是耗電設(shè)備.車載遠(yuǎn)程信息處理是一個(gè)應(yīng)用示例，其中收集移動(dòng)信息，短距離無線通信不是一個(gè)可行的選擇。然而，許多其他低功耗工業(yè)應(yīng)用將占用ISM頻段的免許可頻譜。

IEEE 802.15.4 低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)是許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。該器件在 2.4 GHz、915 MHz 和 868 MHz ISM 頻段內(nèi)工作，總共提供 27 個(gè)通道，用于多個(gè)射頻信道跳頻。物理層支持未授權(quán)的頻段，具體取決于全球位置。歐洲提供 868 MHz 的 600 kHz 信道 0，而北美有 10 個(gè)以 915 MHz 為中心的 2 MHz 頻段。 全球操作可在 2.4 GHz 頻段內(nèi)的 5 MHz 信道 11 到信道 26 上實(shí)現(xiàn)。

低功耗藍(lán)牙 （BLE） 提供顯著降低功耗的解決方案。BLE不適合文件傳輸，但更適合小塊數(shù)據(jù)。一個(gè)主要優(yōu)勢是，鑒于其廣泛集成到移動(dòng)設(shè)備中，它比競爭技術(shù)無處不在。藍(lán)牙 4.2 內(nèi)核規(guī)范在 2.4 GHz ISM 頻段，范圍為 50 m 至 150 m，數(shù)據(jù)速率為 1 Mbps，使用高斯頻移調(diào)制。?

在決定IIoT解決方案的最佳頻段時(shí)，應(yīng)考慮2.4 GHz ISM解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

親

在大多數(shù)國家/地區(qū)免許可

適用于所有地理市場的相同解決方案

83.5 MHz 帶寬允許在高數(shù)據(jù)速率下實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的通道

可實(shí)現(xiàn) 100% 占空比

與 1 GHz 以下頻段相比，天線更緊湊

缺點(diǎn)

在相同的輸出功率下，與低于 1 GHz 的頻率相比，范圍更短

無處不在的增殖會產(chǎn)生許多干擾信號

通信協(xié)議

在通信系統(tǒng)中使用一組規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)來格式化數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)交換。開放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型將通信分解為功能層，以便更輕松地實(shí)施可擴(kuò)展的可互操作網(wǎng)絡(luò)。OSI 模型實(shí)現(xiàn)七層：物理 （PHY）、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸、會話、表示層和應(yīng)用層。

圖2.OSI 和 TCP/IP 模型。

IEEE 802.15.4 和 802.11 （Wi-Fi） 標(biāo)準(zhǔn)位于媒體訪問控制 （MAC） 數(shù)據(jù)鏈路子層和 PHY 層中。位于附近的 802.11 接入點(diǎn)應(yīng)各自使用一個(gè)非重疊信道，以最大程度地減少干擾影響（圖 3）。802.11g中使用的調(diào)制方案是正交頻分復(fù)用（OFDM），比后面描述的IEEE 802.15.4方案更復(fù)雜的方案。

鏈路層提供無線電信號波到比特的轉(zhuǎn)換，反之亦然。該層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀以實(shí)現(xiàn)可靠的通信，并管理對感興趣的無線電信道的訪問。

網(wǎng)絡(luò)層通過網(wǎng)絡(luò)路由和尋址數(shù)據(jù)。正是在這一層中，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）提供了一個(gè)IP地址，并將IP數(shù)據(jù)包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。

在網(wǎng)絡(luò)兩端運(yùn)行的應(yīng)用程序會話之間，傳輸層生成通信會話。這允許多個(gè)應(yīng)用程序在一臺設(shè)備上運(yùn)行，每個(gè)應(yīng)用程序使用自己的通信通道?；ヂ?lián)網(wǎng)上的連接設(shè)備主要使用傳輸控制協(xié)議（TCP）作為首選的傳輸協(xié)議。

應(yīng)用層格式化和管理數(shù)據(jù)，以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)傳感器特定應(yīng)用的流程。TCP/IP 堆棧中一種流行的應(yīng)用層協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議 （HTTP），它旨在通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

FCC 第 15 部分規(guī)則將 ISM 頻段內(nèi)發(fā)射器的有效功率限制為 36 dBm。對于 2.4 GHz 頻段中的固定點(diǎn)對點(diǎn)鏈路，例外情況是使用增益為 24 dBi 且發(fā)射功率為 24 dBm 的天線，總 EIRP 為 48 dBm。發(fā)射功率應(yīng)至少為1 mW。對于 <1% 的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率，接收器靈敏度應(yīng)該能夠在 2.4 GHz 頻段內(nèi)接受 –85 dBm，在 868 MHz 和 915 MHz 頻段內(nèi)接受 –92 dBm。

圖3.全球 IEEE 802.15.4 PHY 通道 11 到通道 26 和 IEEE 802.11g 通道 1 到通道 14。

布朗菲爾德 vs. 格林菲爾德

IIoT意味著與許多有線和無線標(biāo)準(zhǔn)的廣泛連接，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但是，對于安裝到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，選項(xiàng)可能不那么豐富。新的IIoT解決方案可能需要進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

綠地安裝是在全新的環(huán)境中從頭開始創(chuàng)建的安裝。傳統(tǒng)設(shè)備沒有強(qiáng)制要求的任何限制。例如，當(dāng)建造新工廠或倉庫時(shí)，可以在框架計(jì)劃中考慮IIoT解決方案，以實(shí)現(xiàn)其最佳性能。

棕地部署是指安裝在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中的IIoT網(wǎng)絡(luò)。挑戰(zhàn)變得更加突出。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可能并不理想，但新的IIoT系統(tǒng)必須與任何已安裝的干擾RF信號共存。開發(fā)人員在受限的上下文中繼承硬件、嵌入式軟件和以前的設(shè)計(jì)決策。因此，開發(fā)過程變得艱巨，需要細(xì)致的分析、設(shè)計(jì)和測試。6

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

IEEE 802.15.4 協(xié)議提供兩個(gè)設(shè)備類。全功能設(shè)備 （FFD） 可用于任何拓?fù)?，以作?PAN 協(xié)調(diào)器與任何其他設(shè)備通信?？s減功能器件 （RFD） 僅限于星形拓?fù)洌驗(yàn)樗荒艹蔀榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在IEEE 802.15.4的簡單實(shí)現(xiàn)中，它僅與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。根據(jù)應(yīng)用的不同，存在多種網(wǎng)絡(luò)模型：點(diǎn)對點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀和多跳。

圖4.網(wǎng)絡(luò)模型：點(diǎn)對點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀和多跳拓?fù)洹?/strong>