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(guò)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(cè)量將感測(cè)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(guò)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(cè)量、解釋、連接

邊緣節(jié)點(diǎn)通常必須通過(guò)有線或無(wú)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(hào)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(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)就沒(méi)有多大價(jià)值。理想情況下，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)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(wú)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(duì)較少的連接物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)將專門(mén)使用有線通信，因?yàn)檫@些設(shè)備中的大部分將無(wú)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(jí)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(duì)互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)，以鏈接云中的服務(wù)器場(chǎng)。

速度較慢的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（如 KNX）使用差分信號(hào)和總帶寬為 9600 bps 的 30 V 電源通過(guò)雙絞銅線對(duì)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(jí)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(duì)于通過(guò) BLE 調(diào)試設(shè)備是有意義的。長(zhǎng)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(chǎng)的農(nóng)業(yè)傳感器。

圖1.短距離無(wú)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(wú)線電波遵循功率密度的平方反比定律。信號(hào)功率密度與無(wú)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(wú)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(huì)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(huì)降低實(shí)際范圍?？諝鉂穸瓤梢晕丈漕l能量。金屬物體可以反射無(wú)線電波，導(dǎo)致次級(jí)信號(hào)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(wú)線電接收機(jī)的靈敏度將決定可以實(shí)現(xiàn)的最大信號(hào)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(wú)線電信號(hào)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(zhǎng)）= 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(duì)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(qǐng)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(huì)產(chǎn)生開(kāi)銷(xiāo)。IIoT設(shè)備并不總是連接到網(wǎng)絡(luò)。它們可能會(huì)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。可以在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下對(duì)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(wú)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(shí)別是否有任何信號(hào)被跳躍并通過(guò)側(cè)信道重新傳輸。時(shí)間戳還可用于在無(wú)數(shù)不同步傳感器中正確重新組合無(wú)序時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

對(duì) 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(wèn)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(wú)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(chē)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(wú)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(wú)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(shì)是，鑒于其廣泛集成到移動(dòng)設(shè)備中，它比競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)無(wú)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(guó)家/地區(qū)免許可

適用于所有地理市場(chǎng)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(wú)處不在的增殖會(huì)產(chǎn)生許多干擾信號(hào)

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(lái)格式化數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)交換。開(kāi)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(huì)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(wèn)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(wú)線電信號(hào)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(duì)感興趣的無(wú)線電信道的訪問(wèn)。

網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)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(huì)話之間，傳輸層生成通信會(huì)話。這允許多個(gè)應(yīng)用程序在一臺(tái)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(guò)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(duì)于 2.4 GHz 頻段中的固定點(diǎn)對(duì)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(duì)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的廣泛連接，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。但是，對(duì)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(kāi)始創(chuàng)建的安裝。傳統(tǒng)設(shè)備沒(méi)有強(qiáng)制要求的任何限制。例如，當(dāng)建造新工廠或倉(cāng)庫(kù)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(hào)共存。開(kāi)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(kāi)發(fā)過(guò)程變得艱巨，需要細(xì)致的分析、設(shè)計(jì)和測(cè)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)?，因?yàn)樗荒艹蔀榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在IEEE 802.15.4的簡(jiǎn)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(duì)點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀和多跳。

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