工業(yè)自動(dòng)化中的低功耗藍(lán)牙和LoRA無線協(xié)議

　　第四次工業(yè)革命（工業(yè) 4.0）為機(jī)器帶來了更多的智能和自動(dòng)化設(shè)施的效率和靈活性。這些日益復(fù)雜的系統(tǒng)推動(dòng)了無線通信在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。畢竟，工業(yè) 4.0 智能機(jī)器和模塊化自動(dòng)化的定義如下：

• 　　安全和適應(yīng)性強(qiáng)的控制連接
• 　　收集并不斷調(diào)整生產(chǎn)過程中的數(shù)值
• 　　用于預(yù)見性維護(hù)程序的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)
• 　　為實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析能力而進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)

　　支持這些功能的無線技術(shù)都基于蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙和 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。部分原因是，設(shè)計(jì)工程師期望來自不同供應(yīng)商的組件具有兼容性——根據(jù)定義，必須通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口而不是專有接口進(jìn)行連接。事實(shí)上，互操作性只是工業(yè) 4.0 的一個(gè)方面。

　　納入無線通信的單個(gè)設(shè)備通常比有線網(wǎng)絡(luò)的成本更高。然而，這種前期成本的增加能以多種方式抵消，而且從長遠(yuǎn)來看，無線設(shè)備往往被證明是最具性價(jià)比的選擇。原因是在生產(chǎn)區(qū)域鋪設(shè)電纜的成本可能很高。規(guī)劃電纜敷設(shè)路徑及其連接器是一項(xiàng)很費(fèi)力的工作。另外，電纜需要保護(hù)，需要電纜槽架或支撐件的支撐，還需要接線盒和其他附件。規(guī)劃、訂購和安裝所有這些與電纜有關(guān)的五金件，會(huì)延長網(wǎng)絡(luò)實(shí)施時(shí)間。

　　基于 Wi-Fi 的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)

　　電氣和電子工程師協(xié)會(huì) （IEEE） 于 1997 年發(fā)布了 802.11 標(biāo)準(zhǔn)，定義了局域網(wǎng) （LAN） 的無線實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。為了確保市場(chǎng)能充分執(zhí)行這一標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)聯(lián)盟 Wi-Fi Alliance很快跟進(jìn)——由有意向建立測(cè)試和認(rèn)證計(jì)劃的無線設(shè)備公司牽頭，來保持跨供應(yīng)商產(chǎn)品的互操作性。今天，通過 IEEE 802.11 定義的 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)得到了 Wi-Fi Alliance 標(biāo)準(zhǔn)化的更多補(bǔ)充，使得符合各項(xiàng)要求的設(shè)備還具有非?？煽康募嫒菪?。

　　工業(yè) 4.0（也稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或 IIoT）與無線技術(shù)的采用密不可分。這些無線技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，允許各種設(shè)備和計(jì)算系統(tǒng)之間進(jìn)行連接，包括用作人機(jī)界面的移動(dòng)設(shè)備（如圖所示）以及無數(shù)其他用于互通機(jī)器狀態(tài)信息的現(xiàn)場(chǎng)無線組件。

　　雖然 Wi-Fi 對(duì)于監(jiān)控應(yīng)用和將機(jī)器連接到企業(yè)級(jí)系統(tǒng)相當(dāng)有用，但由于在速度、延遲和連接穩(wěn)定性方面的問題，使這種技術(shù)在機(jī)器控制相關(guān)的高要求工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的使用受到限制。這意味著今天工業(yè)應(yīng)用中的 Wi-Fi 大多僅限于要求不太嚴(yán)格的情況。其中包括：

　　與制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES） 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的條形碼掃描儀，可容忍一兩秒的延遲。

　　不涉及實(shí)時(shí)控制功能的運(yùn)動(dòng)傳感器

　　使用傳感器長期進(jìn)行機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如加速度計(jì)（跟蹤一段時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)產(chǎn)生情況）以及溫度、壓力、濕度和氣體濃度傳感器，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的效率和健康狀態(tài)。

　　盡管不適合用于機(jī)器控制，但 Wi-Fi 對(duì)于機(jī)器監(jiān)測(cè)應(yīng)用、連接工廠車間和企業(yè)級(jí)系統(tǒng)是非常有用的。

　　目前，讓 Wi-Fi 技術(shù)適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用已嘗試過多次，但成功率有限。但是有一個(gè)協(xié)議例外，那就是在 IIoT 方面有些成功運(yùn)用的工業(yè)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò) （WIA-PA） 協(xié)議。這是一種來自中國的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　當(dāng)然，Wi-Fi 的工作頻率為 2.4 或 5 GHz，頻率越高數(shù)據(jù)傳輸速度越快，但由于更高的頻率在穿過墻壁和其他固體物體時(shí)更容易出現(xiàn)耗散，因此傳輸范圍也會(huì)減小。專用標(biāo)準(zhǔn)是使用其他頻段的。例如，IEEE 802.11ah 低數(shù)據(jù) Wi-Fi （HaLowWi-Fi） 在 900MHz 左右運(yùn)行——通常用于需要擴(kuò)大范圍和極低功耗的傳感器。另一種極端情況是，IEEE 802.11ad Wi-Fi（WiGig） 的工作頻率為 60 GHz 左右，可實(shí)現(xiàn)非?？斓臄?shù)據(jù)傳輸。

　　基于 IEEE 802.15.4 的無線標(biāo)準(zhǔn)

　　其他可選的無線協(xié)議是 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義的低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)或 LR-WPAN。LR-WPAN 技術(shù)優(yōu)先考慮低成本和低功耗，而不是速度和傳輸距離。根據(jù)其基本規(guī)格參數(shù)，LR-WPAN 通信的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 250 kb/s，傳輸距離可達(dá) 10 m。這種技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)備之間的通信，而無需任何其他的通信基礎(chǔ)設(shè)施。諸如 6LoWPAN、WirelessHART 和 ZigBee 等基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議正在迅速成為首選的 IIoT 協(xié)議。

　　1.WirelessHART： 由 HART Communications Foundation、ABB、西門子和其他公司支持的 WirelessHART 的協(xié)議，該協(xié)議基于 802.15.4。這是一個(gè)得到良好支持的、強(qiáng)大的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。使用具有時(shí)間同步功能的跳頻網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來維持網(wǎng)絡(luò)的可靠性。相比之下，大多數(shù)基于 Wi-Fi 和蜂窩技術(shù)的無線通信協(xié)議都使用了不太穩(wěn)健的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要求所有設(shè)備都與中央設(shè)備相連。所有通信都使用 128 位 AES 加密，且用戶訪問可能受到嚴(yán)格的控制。

　　LTP5903-WHR SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)管理器支持線路供電式 WirelessHART 網(wǎng)關(guān)，從而讓工程師能夠整合一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展雙向通信。

　　由于 WirelessHART 使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此數(shù)據(jù)可以在設(shè)備之間直接路由。這可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍，形成冗余通信路徑。這樣，如果其中一個(gè)路徑出現(xiàn)故障，發(fā)送方就會(huì)自動(dòng)切換到一個(gè)冗余路徑。跳頻還能使 WirelessHART 避免干擾問題。

　　2.6LoWPAN：低功耗無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)上的 IPv6（通常稱為 6LoWPAN）是一個(gè)協(xié)議，允許 IPv6 數(shù)據(jù)包在基于 IEEE 802.15.4 的網(wǎng)絡(luò)上傳輸。這意味著功耗非常低的設(shè)備可以連接互聯(lián)網(wǎng)，以使其非常適合物聯(lián)網(wǎng)傳感器和其他低功耗設(shè)備。

　　3.ZigBee：由 Zigbee 聯(lián)盟維護(hù)并且在智能家居和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中使用最廣泛，ZigBee 可能是最成熟的基于 IEEE 802.15.4 的協(xié)議。該協(xié)議讓節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間內(nèi)保持休眠模式，以大幅延長電池壽命。ZigBee 通常工作在 2.4 GHz 頻段，固定數(shù)據(jù)傳輸率為 250 kb/s。該協(xié)議可以支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)。樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)范圍。

　　Zigbee 對(duì)工業(yè)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、濕度、溫度和存在傳感器及其他應(yīng)用都非常有用。

　　工業(yè)自動(dòng)化中的低功耗藍(lán)牙和蜂窩狀物聯(lián)網(wǎng)

　　低功耗藍(lán)牙 （BLE） 是 IEEE 802.15.4 的替代協(xié)議。這種情況下，低成本和低功耗是首要任務(wù)，可以犧牲速度和傳輸范圍。與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙相同，該協(xié)議的工作頻率為 2.4 GHz。低功耗藍(lán)牙的最大優(yōu)勢(shì)在于如何得到了移動(dòng)操作系統(tǒng)的原生支持，如 Open Handset Alliance（開放手機(jī)聯(lián)盟） 的安卓系統(tǒng)、蘋果的 iOS 系統(tǒng)和微軟的 Windows 系統(tǒng)及其各種變體。此外，Logitech Corp. 等大型電子產(chǎn)品供應(yīng)商投入了最多的研發(fā)資金，所以低功耗藍(lán)牙仍然主要是消費(fèi)類設(shè)備的無線連接選項(xiàng)也就不足為奇了。這與 WirelessHART 形成鮮明對(duì)比，IIoT 應(yīng)用始終是后者主要關(guān)注的對(duì)象。

　　低功耗藍(lán)牙 （BLE） 標(biāo)準(zhǔn)包括一個(gè)串行端口配置文件，各個(gè)系統(tǒng)會(huì)將其識(shí)別為一個(gè)完整的串行接口。這對(duì)于使用通過 BLE 連接的升級(jí)設(shè)備來替換有線設(shè)備是非常有用的。

　　綜上所述，在過去的幾年里，有很多傳感器、遙控器、鎖具和手持設(shè)備采用低功耗藍(lán)牙執(zhí)行工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。這一趨勢(shì)在未來幾年可能會(huì)增加。

　　與 BLE 和基于 IEEE 802.15.4 協(xié)議的低功耗、短距離通信相比，蜂窩技術(shù)是長距離無線通信。2G GSM 蜂窩協(xié)議大多已被在手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中普及的 3G 和 4G 高速蜂窩協(xié)議所取代。但問題是，蜂窩通信的電力消耗巨大，因此在工業(yè)應(yīng)用中，特別是機(jī)器上使用這種連接時(shí)系統(tǒng)需要連接一個(gè)永久的有線連接式電源。蜂窩式 LTE 類別表明了最大的數(shù)據(jù)傳輸率，盡管它以更高的功耗為代價(jià)。LTE Cat-0 和 Cat-1 連接適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。相比之下，LTE-M 是專門為機(jī)器對(duì)機(jī)器和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低功耗蜂窩協(xié)議。

　　與其在手機(jī)中相對(duì)廣泛的使用相比，工業(yè)級(jí) 5G 應(yīng)用還沒有那么成熟。這是因?yàn)橄M(fèi)者優(yōu)先考慮下載速度（所以已經(jīng)迅速采用了入門級(jí) 5G 設(shè)備），IIoT 系統(tǒng)工程師優(yōu)先考慮低延遲和無死角全面覆蓋。事實(shí)上，低延遲在工業(yè)自動(dòng)化中至關(guān)重要。誠然，第一批 5G 網(wǎng)絡(luò)已將延遲控制在 30 ms 以下，但人們正努力將延遲進(jìn)一步降低到只有 1 ms。這對(duì)于要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)工業(yè)控制（不僅僅是監(jiān)控）應(yīng)用來說，速度已經(jīng)足夠快了，例如在機(jī)床中傳輸反饋信號(hào)。

　　5G 技術(shù)減少延遲的一種方式是網(wǎng)絡(luò)切片。這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)的帶寬劃分為不同的虛擬通道，然后對(duì)其單獨(dú)管理。一些通道專門用于低延遲傳輸，禁止大多數(shù)流量使用這種通道。然后，只有需要最高傳輸速率的工業(yè)控制應(yīng)用才能使用這些專門保留的快速通道。

　　LoRA 無線協(xié)議的崛起

　　長距離廣域網(wǎng)絡(luò)調(diào)制 （LoRA） 是可再生能源、采礦和物流業(yè)的遠(yuǎn)程和離岸應(yīng)用的低成本無線協(xié)議選擇。這是一種低功耗無線技術(shù)，可以在甚至超過 10 公里的非常長的范圍內(nèi)通信，而且僅用一塊電池就可以持續(xù)工作長達(dá) 10 年。簡而言之，LoRA 是一種在免許可頻段上運(yùn)行的非蜂窩技術(shù)。該技術(shù)采用次千兆赫頻段，如 433 MHz 和 915 MHz，以及基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻 （SSS） 調(diào)制的擴(kuò)頻調(diào)制。這使其非常適用于設(shè)置在偏遠(yuǎn)地區(qū)且只需適度數(shù)據(jù)傳輸速率的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。LoRA 還具有 128 位加密和認(rèn)證控制功能。另一個(gè)有用的功能是利用設(shè)備之間的三邊測(cè)量法進(jìn)行地理定位，尤其適用于 IIoT 應(yīng)用中的傳感器。

　　LoRA 使用由 Semtech Corp. 開發(fā)的專有技術(shù)，但也有大量的開源元素。它得到了 LoRa Alliance 的支持（和設(shè)備互操作性保證）。LoRa Alliance 是一個(gè)包括 IBM、Cisco、TATA、Bosch、Swisscom 和 Semtech 在內(nèi)的大型協(xié)會(huì)。

　　結(jié)語

　　用于工業(yè)自動(dòng)化的無線協(xié)議比比皆是。每一種都適合特定的應(yīng)用。對(duì)于要求低功耗并接受短距離傳輸?shù)挠猛荆芤嬗?ZigBee 和低功耗藍(lán)牙連接。要求更高的工業(yè)應(yīng)用需要通信的穩(wěn)健性，則可能需要支持 WirelessHART 無線連接功能的設(shè)備。要求長距離傳輸、高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，則必定使用蜂窩技術(shù)。在這里，5G 有望改變無線通信。要求在很長的距離內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并且電力消耗最少時(shí)，最好的選擇通常是 LoRa 技術(shù)。