互聯的工業機器可以感知用于在工業物聯網 （IIoT） 中做出關鍵決策的各種信息。邊緣節點內的傳感器在空間上可以遠離任何數據聚合點。它必須通過將邊緣數據與網絡連接的網關進行連接。傳感器構成了IIoT生態系統的前端邊緣。測量將感測信息轉換為可量化的數據，例如壓力、位移或旋轉。可以過濾數據以僅連接節點之外最有價值的信息進行處理。低延遲連接允許在關鍵數據可用后立即做出關鍵決策。

感知、測量、解釋、連接

邊緣節點通常必須通過有線或無線傳感器節點 （WSN） 連接到網絡。數據完整性仍然是信號鏈這一模塊的關鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，最佳感測和測量數據就沒有多大價值。理想情況下，在系統架構設計過程中，將設計一個強大的通信協議作為預先考慮。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。

有線設備

當連接的魯棒性至關重要時，工業有線通信起著關鍵作用，例如EtherNet/IP，KNX，DALI，PROFINET和ModbusTCP。遠距離傳感器節點可以使用無線網絡與網關通信，然后網關依賴于有線基礎設施。相對較少的連接物聯網節點將專門使用有線通信，因為這些設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值信息的地方，而不僅僅是現有的通信和電力基礎設施所在的位置。

傳感器節點必須具有與網絡通信的方法。以太網傾向于主導有線領域，因為IIoT框架在這種類型的連接上映射更高級別的協議。以太網實施范圍從 10 Mbps 到 100 Gbps 甚至更高。高端通常針對互聯網的骨干網，以鏈接云中的服務器場。

速度較慢的工業網絡（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行。雖然每個分段可以支持有限數量的地址 （256），但尋址可以支持 65，536 個設備。最大網段長度為 1000 m，可選擇讓線路中繼器支持多達 4 個網段。

工業無線挑戰

在考慮采用哪種通信和網絡技術時，IIoT無線系統設計人員面臨著許多挑戰。因此，應進行高級別審查以下限制：

范圍

間歇性連接與連續性連接

帶寬

權力

互操作性

安全

可靠性

范圍

范圍描述了連接到網絡的IIoT設備傳輸數據的距離。范圍以米為單位的短距離個人局域網 （PAN） 對于通過 BLE 調試設備是有意義的。長達數百米的局域網 （LAN） 可用于安裝在同一建筑物內的自動化傳感器。廣域網 （WAN） 以公里為單位，其應用包括安裝在大型農場的農業傳感器。

圖1.短距離無線連接。

所選的網絡協議應與 IIoT 用例所需的范圍相匹配。例如，4G蜂窩網絡在復雜性和功耗上不適合運行在數十米以上的室內LAN應用。當在所需范圍內傳輸數據是一項挑戰時，邊緣計算可能是一種可行的替代方案。在邊緣節點內執行數據分析，而不是將數據移動到其他地方進行處理。 發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，導致次級信號在不同時間到達接收器，并產生破壞性干擾作為額外的功率損耗。

無線電接收機的靈敏度將決定可以實現的最大信號路徑損耗。例如，在 2.4 GHz 工業科學和醫療 （ISM） 頻段，最小接收器靈敏度為 –85 dBm。射頻輻射器能量在各個方向上均勻傳播，形成球體（A = 4πR2），其中R是從發射器到接收器的距離，單位為米。自由空間功率損耗（FSPL）與發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 = 發射頻率

給定已知的發射頻率和所需距離，可以計算目標發射和接收對的FPSL。鏈路預算將采用以下等式的形式：

帶寬和連接

帶寬是在特定時間段內可以傳輸的數據速率。它限制了從IIoT傳感器節點收集數據并向下傳輸數據的最大速率。請考慮以下因素：

每個設備隨時間推移生成的數據總量

網關內部署和聚合的節點數

支持以恒定流或間歇性突發方式發送的突發數據高峰期所需的可用帶寬

理想情況下，網絡協議的數據包大小應與正在傳輸的數據的大小相匹配。發送填充有空數據的數據包效率低下。但是，將較大的數據塊拆分到太多的小數據包中也會產生開銷。IIoT設備并不總是連接到網絡。它們可能會定期連接以節省功率或帶寬。

強大功能和互操作性

如果 IIoT 設備必須使用電池運行以節省電量，則只要設備空閑，該設備就可以進入睡眠模式。可以在不同的網絡負載條件下對設備的能耗進行建模。這有助于確保設備的電源和電池容量與傳輸必要數據所需的消耗相匹配。3

網絡中一系列不同可能節點之間的互操作性可能是一個挑戰。采用標準的有線和無線協議一直是在互聯網內保持互操作性的傳統方法。新的IIoT流程的標準化可能很難跟上新發布的技術的快速步伐。考慮圍繞適合手頭解決方案的最佳技術的IIoT生態系統。如果該技術被廣泛采用，則長期互操作性的可能性更高。

安全

IIoT網絡安全在系統中起著三個重要作用：機密性，完整性和真實性。機密性依賴于網絡數據僅停留在已知框架內，不允許數據從外部設備泄露或攔截。數據完整性取決于消息內容與傳輸的內容完全相同，而不更改、減去或添加信息。4, 5真實性依賴于從預期的排他性來源接收數據。錯誤地與欺騙通信是錯誤身份驗證的一個示例。

與不安全網關接口的安全無線節點是一個漏洞漏洞，并提供了潛在的漏洞。數據時間戳可以幫助識別是否有任何信號被跳躍并通過側信道重新傳輸。時間戳還可用于在無數不同步傳感器中正確重新組合無序時間關鍵數據。

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 中實現。密鑰管理、加密質量隨機數生成 （RNG） 和網絡訪問控制列表 （ACL） 都有助于提高通信網絡的安全屏障。

頻帶

物聯網無線傳感器可能在蜂窩基礎設施中使用許可頻段， 但這些可能是耗電設備.車載遠程信息處理是一個應用示例，其中收集移動信息，短距離無線通信不是一個可行的選擇。然而，許多其他低功耗工業應用將占用ISM頻段的免許可頻譜。

IEEE 802.15.4 低功耗無線標準是許多工業物聯網應用的理想選擇。該器件在 2.4 GHz、915 MHz 和 868 MHz ISM 頻段內工作，總共提供 27 個通道，用于多個射頻信道跳頻。物理層支持未授權的頻段，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 個以 915 MHz 為中心的 2 MHz 頻段。 全球操作可在 2.4 GHz 頻段內的 5 MHz 信道 11 到信道 26 上實現。

低功耗藍牙 （BLE） 提供顯著降低功耗的解決方案。BLE不適合文件傳輸，但更適合小塊數據。一個主要優勢是，鑒于其廣泛集成到移動設備中，它比競爭技術無處不在。藍牙 4.2 內核規范在 2.4 GHz ISM 頻段，范圍為 50 m 至 150 m，數據速率為 1 Mbps，使用高斯頻移調制。?

在決定IIoT解決方案的最佳頻段時，應考慮2.4 GHz ISM解決方案的優缺點：

親

在大多數國家/地區免許可

適用于所有地理市場的相同解決方案

83.5 MHz 帶寬允許在高數據速率下實現單獨的通道

可實現 100% 占空比

與 1 GHz 以下頻段相比，天線更緊湊

缺點

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生許多干擾信號

通信協議

在通信系統中使用一組規則和標準來格式化數據和控制數據交換。開放系統互連 （OSI） 模型將通信分解為功能層，以便更輕松地實施可擴展的可互操作網絡。OSI 模型實現七層：物理 （PHY）、數據鏈路、網絡、傳輸、會話、表示層和應用層。

圖2.OSI 和 TCP/IP 模型。

IEEE 802.15.4 和 802.11 （Wi-Fi） 標準位于媒體訪問控制 （MAC） 數據鏈路子層和 PHY 層中。位于附近的 802.11 接入點應各自使用一個非重疊信道，以最大程度地減少干擾影響（圖 3）。802.11g中使用的調制方案是正交頻分復用（OFDM），比后面描述的IEEE 802.15.4方案更復雜的方案。

鏈路層提供無線電信號波到比特的轉換，反之亦然。該層負責數據幀以實現可靠的通信，并管理對感興趣的無線電信道的訪問。

網絡層通過網絡路由和尋址數據。正是在這一層中，互聯網協議（IP）提供了一個IP地址，并將IP數據包從一個節點傳輸到另一個節點。

在網絡兩端運行的應用程序會話之間，傳輸層生成通信會話。這允許多個應用程序在一臺設備上運行，每個應用程序使用自己的通信通道。互聯網上的連接設備主要使用傳輸控制協議（TCP）作為首選的傳輸協議。

應用層格式化和管理數據，以優化節點傳感器特定應用的流程。TCP/IP 堆棧中一種流行的應用層協議是超文本傳輸協議 （HTTP），它旨在通過互聯網傳輸數據。

FCC 第 15 部分規則將 ISM 頻段內發射器的有效功率限制為 36 dBm。對于 2.4 GHz 頻段中的固定點對點鏈路，例外情況是使用增益為 24 dBi 且發射功率為 24 dBm 的天線，總 EIRP 為 48 dBm。發射功率應至少為1 mW。對于 <1% 的數據包錯誤率，接收器靈敏度應該能夠在 2.4 GHz 頻段內接受 –85 dBm，在 868 MHz 和 915 MHz 頻段內接受 –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準的廣泛連接，以實現這一目標。但是，對于安裝到現有網絡系統中，選項可能不那么豐富。新的IIoT解決方案可能需要進行調整以適應網絡。

綠地安裝是在全新的環境中從頭開始創建的安裝。傳統設備沒有強制要求的任何限制。例如，當建造新工廠或倉庫時，可以在框架計劃中考慮IIoT解決方案，以實現其最佳性能。

棕地部署是指安裝在現有基礎設施中的IIoT網絡。挑戰變得更加突出。傳統網絡可能并不理想，但新的IIoT系統必須與任何已安裝的干擾RF信號共存。開發人員在受限的上下文中繼承硬件、嵌入式軟件和以前的設計決策。因此，開發過程變得艱巨，需要細致的分析、設計和測試。6

網絡拓撲

IEEE 802.15.4 協議提供兩個設備類。全功能設備 （FFD） 可用于任何拓撲，以作為 PAN 協調器與任何其他設備通信。縮減功能器件 （RFD） 僅限于星形拓撲，因為它不能成為網絡協調器。在IEEE 802.15.4的簡單實現中，它僅與網絡協調器通信。根據應用的不同，存在多種網絡模型：點對點、星形、網狀和多跳。

圖4.網絡模型：點對點、星形、網狀和多跳拓撲。

點對點網絡可以輕松地將兩個節點鏈接在一起，但不利用任何智能來延長網絡范圍。這提供了快速安裝，但如果一個節點無法運行，則沒有冗余。

星形模型將其總徑向范圍擴展到兩個節點的傳輸距離，因為它使用 FFD 作為主站與多個 RFD 通信。但是，每個RFD仍然只能與路由器通信。只要不是FFD，它就可以適應單點故障。

網狀網絡允許任何節點通過任何其他節點進行通信或跳躍。這提供了冗余通信路徑，以增強網絡的強度。智能網狀網絡可以通過最少的躍點路由通信，以減少功耗和延遲。臨時自組織拓撲通過允許節點到達或離開網絡環境來適應環境的變化。

可靠性

IIoT客戶將可靠性和安全性放在訂單獲勝者名單的首位。組織通常依賴于大型復雜集群進行數據分析，這些集群可能充滿瓶頸，包括數據傳輸、索引和提取，以及轉換和加載流程。每個邊緣節點的高效通信對于防止下游集群中的瓶頸至關重要。5

工業環境通常很惡劣，無法進行有效的射頻波傳播。大型、不規則形狀、致密的金屬工廠設備、混凝土、隔板和金屬架都可能產生多徑波傳播。之后，波向各個方向離開發射天線，“多徑”描述了波在到達接收器之前如何通過其環境傳播進行修改。在接收器處看到的入射波分為三種類型——反射波、衍射波和散射波。多徑波經歷幅度和相位的變化，導致在目標接收器處看到具有相長或破壞性干擾的復合波。

CSMA-CA 通道訪問

載波檢測多址與防沖突（CSMA/CA）是一種數據鏈路層協議，其中載波檢測由網絡節點使用。節點嘗試通過僅在檢測到通道空閑時才傳輸其整個數據包數據來避免沖突。無線網絡中的隱藏節點超出了其他節點集合的范圍。圖 5 顯示了一個示例，其中位于范圍遠端的節點可以看到接入點“Y”，但可能看不到范圍另一端的節點 X 或 Z。7

圖5.隱藏節點 X 和 Z 無法直接通信。

使用 RTS/CTS 的握手實現了虛擬載波感知，只需發出簡短的請求即可發送和清除以發送 WLAN 的消息。雖然 802.11 主要依賴于物理載波檢測，但 IEEE 802.15.4 使用 CSMA/CA。為了克服隱藏節點問題，RTS/CTS握手與CSMA/CA一起實現。如果允許，增加隱藏節點的發射功率可以延長其觀察距離。

協議

為了提高帶寬，先進的調制方案調制相位、幅度或頻率。正交相移密鑰 （QPSK） 是一種使用四個相位對每個符號編碼兩位的調制方案。正交調制使用混頻架構，提供相移以降低信號帶寬要求。二進制數據細分為兩個連續位，并在ω的正交相位上進行調制c載波，sinωct 和 cosωct.

圖6.失調QPSK調制器架構。

在 2.4 GHz ISM 頻段運行的 IEEE 802.15.4 收發器采用 QPSK 的物理層變體，稱為偏移 QPSK、O-QPSK 或交錯 QPSK。單個數據位 （T位） 偏移時間常數被引入到位流中。這會將數據在時間上偏移符號周期的一半，從而避免節點 X 和 Y 處波形同時發生轉換。 連續相位步長永遠不會超過 ±90°。一個缺點是O-QPSK不允許差分編碼。但是，它確實消除了相干檢測這一具有挑戰性的技術任務。

IEEE 802.15.4 中使用的調制降低了發送和接收數據的符號速率。O-QPSK要求通過同時傳輸兩個編碼位來達到1/4的符號速率與比特率。這允許使用 62.5 k符號/秒實現 250 kbps 的數據速率。

可擴展性

并非所有物聯網節點都需要外部 IP 地址。對于專用通信，傳感器節點應具有唯一 IP 地址的容量。雖然 IPv4 支持 32 位尋址，但幾十年前很明顯，僅尋址 43 億臺設備并不能支持互聯網增長。IPv6 將地址大小增加到 128 位，以支持 240 十億個全局唯一地址 （GUA） 設備。

映射來自IPv6和IEEE802.15.4網絡兩個不同域的地址的映射數據和管理帶來了設計挑戰。6LoWPAN 定義了封裝和標頭壓縮機制，允許通過基于 IEEE 802.15.4 的網絡發送和接收 IPv6 數據包。Thread是基于封閉文檔，免版稅協議的標準示例，該協議在6LoWPAN上運行以實現自動化

ADI公司為ADuCx系列微控制器和Blackfin系列DSP提供全系列無線收發器以及有線協議。低功耗ADF7242支持IEEE 802.15.4，采用50 kbps至2000 kbps的全球ISM頻段的可編程數據速率和調制方案。它符合 FCC 和 ETSI 標準。ADF7023的工作頻率為433 MHz、868 MHz和915 MHz，頻率為1 kbps至300 kbps，全球免許可ISM頻段。ADI公司提供完整的WSN開發平臺來設計定制解決方案。RapID平臺是一系列模塊和開發套件，用于嵌入工業網絡協議。SmartMesh 無線傳感器是芯片和預認證的 PCB 模塊，帶有網狀網絡軟件，使傳感器能夠在惡劣的工業物聯網環境中進行通信。???

圖7.相變±90°（左），帶 I/Q O-QPSK 選項（右）。

審核編輯：郭婷