电子产品世界

　　Bernd Hantsche （儒卓力 嵌入式及无线产品 营销总监）

　　摘 要：随着业界实施工业4.0，除千兆线路外，无线技术将会越来越多地在工业领域中大展拳脚。现在的问题不再是无线技术会否发展，而是将如何及何时发挥作用。本文探讨了多种无线标准的特点。

　　关键词：工业4.0；无线；ZigBee 3.0；mesh；LoRa

　　测量和控制数据的无线传输标准已有长足发展，这甚至使近期评论家们重新思考其立论“我们的系统必须正常运行——无线技术不够安全”。但是，究竟哪种标准最合适，还是要取决于具体应用。

　　1 现场级别I：靠近工件，但必须灵活、自给自足且免维护

　　在较新的生产线上，第一批无需电缆和滑动触点运作的传感器和执行器格外引人注目。它们安装灵活，可以在生产过程中实现全新的运动顺序。先前，导致生产停顿的扁平电池一直是未安装此类解决方案的最常见原因。但是现在，自供电的传感器和执行器经受住了考验。借助能量收集模块，它们能将周围的光能或热量差异转换为足够的电能，从而能够可靠地通过长达数百米的短距离无线连接发送数据包。如果在任一时刻它无法从环境中获取足够的能量，则本地的能量存储单元可确保数周无故障运行。除了1 GHz以下的EnOcean协议外，还可以使用2.4 GHz频段上的蓝牙5和ZigBee 3.0协议将传感器和执行器进行联网。

　　ZigBee联盟似乎从过去的错误中学到了经验。因此，3.0版本不仅用于Amazon Echo、Philips Hue、宜家Trådfri和Osram Lightfy，而且由于其规格，在工业领域中也很流行。兼容的EnOcean模块组合可帮助ZigBee应用进行能量收集。像无线堆栈一样，无线单元基于Nordic Semiconductor提供的半导体器件。对于直接的P2P连接或者与智能手机、平板电脑或笔记本电脑的交互使用，同样可以使用蓝牙连接，并且蓝牙连接是完全自供电的。

　　如果需要更大的传输范围，或者由于频率计划而无法在站点上使用2.4 GHz频段，则EnOcean联盟的EnOcean协议提供了可靠的选择方案。这可以部署EnOcean模块用于能量转换和无线通信。作为分销商，儒卓力与EnOcean GmbH、EnOcean Alliance以及Nordic Semiconductor合作。这意味着全行业的开发人员都可以找到解决方案，即便是针对特定软件的改编和更复杂的问题。

　　2 现场级别II：随时接收——在工厂大楼内交叉链接

　　在更复杂的较大型网络中，使用传感器或执行器连接到网关、集线器或边缘计算机，这种看起来完美的解决方案（因其免维护且自给自足）很快达到了极限。特别是对于非时间同步的mesh拓扑，每个无线节点必须永久处于接收状态，以便接收传入的数据包并确保立即对其进行处理。这需要提供永久性的更密集能量。在固定无线节点的情况下，可以使用有线电源，而对于“浮动”无线节点，空中燃料充电技术是一种与Qi充电技术相比移动性更强的移动替代方案。而满足不同需求的最佳折衷方法通常是传统电池。

　　许多无线标准（例如蓝牙Mesh、Wi-Fi Mesh和ANT Blaze）以往虽然都基于星形拓扑，但这几年来都提供mesh拓扑。ZigBee、Thread和其他一些软件从一开始就设计用于mesh网络通信。Wi-Fi Mesh几乎可以实现零电源管理，而上面提到的其他所有mesh系统充电一次即可工作数月。

　　与使用ZigBee控制LED光源的家居领域相比，很明显，未布线的蓝牙Mesh为仓库和生产车间、开放式办公室和走廊中的工业照明系统设定了标准。与专门路由数据包的传统方法不同，mesh数据流可确保特别快速的反应和吞吐量时间。尽管如此，智能电话和类似产品仍可以集成到网络中，与必须通过路由器才能连接IT设备的其他无线标准相比，它提供了另一个巨大的优势。

　　蓝牙Mesh是理论上可以放置在任何蓝牙4.0硬件上的中间层。但是，由于蓝牙技术联盟设定了最新的定价系统，因此在设计新系统时，最好使用最新的蓝牙5或5.1硬件。儒卓力提供来自意法半导体、Redpine Signals、Nordic Semiconductor和Toshiba的带有相关堆栈的半导体产品。如果你希望采用集成高频电路和认证的解决方案，则可以选择来自InsightSiP、佳明（Garmin）、松下、村田、Telit、富士通、云里物里（Minew）和Redpine Signal的蓝牙Mesh模块。

　　3 现场级别III：视野范围之外，但紧密相连

　　在物流中心、火车站和港口等转运点，远程无线技术是首选方案。在使用公共和免许可证ISM频段的技术中，LoRa技术已在大多数中欧国家中被认可。法国和荷兰主要是因为其良好的网络扩展而选择了Sigfox技术。

　　但是，2019年出现了变化趋势：根据地区和应用的不同，用于窄带物联网的Cat M1和Cat NB1 4G标准已经实现了强劲的增长。初始测试阶段已经进入批量生产。而LTE-M可用于可更换电池的跟踪应用，LTE NB1消耗的能量则更少。

　　然而，许多国家正在扩展网络，并且正在部署低功耗移动无线技术。德国移动无线供应商显然主要集中在计量市场。由于已安装的电表、气表或水表不会移动，因此在连接期间无需更改移动无线单元。其他国家/地区的提供商则倾向于选择跟踪移动对象的应用，并且专注于扩展类别M1。大多数移动无线模块制造商同时支持两种网络。儒卓力提供来自Telit、NordicSemiconductor、村田、Telic、研华的解决方案，并很快将提供来自其他特许经营合作伙伴的产品。

　　像2G、3G和常规4G模块一样，LTE M1收发器也经常与全球导航卫星系统（GNSS）结合到一个外壳中，因为它们用于跟踪和监视集装箱、车辆、高端商品、人与动物的位置和移动。位置必须通过移动无线网络进行定义和传输。几年前，GPS是个几乎没有竞争的导航系统。不过，俄罗斯Glonass和中国北斗系统成为了GNSS替代方案，尽管它们还没有完全达到美国导航体系的标准。2019年欧洲伽利略卫星导航系统取得了突破，它已经在数百万部智能手机中成功运行了一段时间。2019年，伽利略系统决定免费提供更高的跟踪精确度，因此在免费使用第一层数据方面，伽利略系统现在已领先于GPS系统。此外，伽利略是唯一提供身份验证功能的系统。这确保了接收到的信号实际上来自伽利略系统而不是来自伪发射台。但是，几乎所有用户都会被建议并行安装尽可能多的导航系统。由于使用了更多的卫星，所以大多数现代的多GNNS接收器都可以工作得更快速、更节能和更准确。然而，我们应该为将来的变化做好准备，在其中一个系统出现故障时能及时做出反应。模块中的NB1或M1调制解调器可用于更改固件设置。

　　对于使用带有LoRa、Sigfox、Wi-Fi或蓝牙的GNSS应用，必须确保在主机控制器中接入GNSS单元操作模式的相应选项。通常，创建一个NMEA控制命令，告诉接收器应该使用哪个系统以及忽略哪个系统就足够了。此项远程功能必须始终手动实现，在最坏的情况下，它可能会对应用造成灾难性的影响，但也可以挽救生命或生意业务。

　　4 流程级别：欢迎使用第6代Wi-Fi

　　在处理级别，来自各个工作站的所有数据将被收集起来。通常，在现场级别传感器上收集的数据并不能立刻使用。为了从中获取信息，需要对数据进行最低程度的初步处理。对于许多应用而言，能够比较并行接收的多个现场数据是有利的。另外可以建立精心设计的模式匹配算法，不仅可以与两种静态模式进行比较，但也需要不断调整其参考值。为了应对这个问题以及类似的计算密集型任务，通常使用基于x86的重型系统。

　　目前这个趋势朝互连方向发展，并且朝着从系统级别到无线技术的方向发展。但是，第6代Wi-Fi不仅比早期的Wi-Fi更快速，而且在为订户提供更好的连接管理方面也独树一帜，在专业安装方案中的得分特别高。另一个优点是在即将推出的5G网络改善了频率分配。通过与英特尔结为技术合作伙伴，儒卓力能够从一开始就为其客户提供面向市场的Wi-Fi 6解决方案。工业PC、面板PC和NUC对m.2 PC卡的需求特别大。

　　5 系统级别：取决于位置

　　系统级别的技术选择在很大程度上取决于复杂性和当地情况，例如工厂现场的范围或操作频率计划。对于较小的动态操作，Wi-Fi 6可以作为解决方案，而对于具有非常静态安装的较大型企业，有线解决方案仍将是合适方案。然而，一旦5G技术可用且价格可承受，就必须重新考量这些安装。

　　6 运作级别：较早一代技术仍然是可行选择

　　在不同工厂之间进行通信时，信息预先被压缩得非常密集，因此传统的LTE足以应付数据吞吐量和等待时间，即便在大型国际企业中也是如此。那些希望确保其有线现场互联网连接的用户，已经可以经由LTE路由器通过移动无线技术传输重要的关键运营数据。

　　在用户选择现场级别的情况下，这是单个传感器数据的问题，通常主要针对较低的LTE类别，在运作级别上，有可能选择LTE类别6或更高级别。功耗和调制解调器的价格可以忽略，因为计算机始终使用主电源运行，并且仅使用了很少的LTE调制解调器或LTE路由器。Telit、Telic和研华提供PC卡、外部调制解调器和路由器等解决方案。例如，一个单独的整体解决方案可以与英特尔或华硕服务器结合使用，后者配置有Telit的LTE调制解调器和英特尔的WiFi 6卡。

　　7 无线自动化的更多发展趋势

　　另一项技术在终端用户智能手机领域取得成功之后，也在工业环境中取得了进展。13.56 MHz RFID技术可实现有源阅读器与无源应答器之间以及两个有源阅读器之间的安全交换。由于它几乎与所有现代平板电脑和智能手机兼容，因此可以使用经济型的标准硬件。通常不需要部署较昂贵的特殊设备，例如RFID电子枪。除了低硬件成本之外，它还提供了软件编程优势。

　　对于那些希望使用RFID实现更长距离读取或一次性扫描多个应答器的应用，仍然需要使用其他频率或者在有源系统上进行查看。在这种情况下，应答器不是由读取器的电磁场提供电能的，而是通过负载耦合进行通信的，不过它们具有自己的电源（通常是电池或太阳能），并且基于蓝牙或类似的专有无线协议在2.4 GHz频段中进行通信。

　　在既不使用固定电缆也不进行能量收集的情况下，即使是低功耗蓝牙之类的经济型无线连接也会很快耗尽电池，因此越来越多的工业应用选择了ANT协议。例如，第一个飞行时间传感器不久将可用于高精度距离映射，而这要求的功耗很低。

　　此外，ANT在大多数安卓智能手机都是出厂时可用的，并且采用多协议SoC解决方案的设备可以在蓝牙网络中传输数据流量，而不会产生进一步的硬件成本。

　　本文来源于科技期刊必威娱乐平台 2019年第12期第29页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 201912 工业4.0 无线 ZigBee 3.0 mesh LoRa