IIoT智能化過程中繞不開的那些邊緣節(jié)點通信系統(tǒng)設計要點

　　根據(jù)埃森哲的研究報告，全球工業(yè)物聯(lián)網(Industrial Internet of Things，簡稱IIoT)市場規(guī)模預計在2020年將超過5,000億美元。基于當前的投入水平，到2030年預計工業(yè)物聯(lián)網為世界經濟帶來的收益至少在10萬億美元。同時，IDC數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示未來超過75%的數(shù)據(jù)需要在網絡邊緣側分析、處理與儲存。然而在IIoT的邊緣計算領域，很多基本的重大問題仍然懸而未決，或者仍有很大的改進空間，包括邊緣側通信系統(tǒng)的連接性、易管理性、可擴展性、可靠性、安全性等。

　　有線通信or無線網絡?

　　通常而言，IIoT邊緣節(jié)點一般必須通過有線或無線傳感器節(jié)點(WSN)連接到網絡。在信號鏈的這一部分中，數(shù)據(jù)完整性仍然十分關鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，則優(yōu)化檢測和測量數(shù)據(jù)幾乎沒有價值。理想情況下，要在系統(tǒng)架構設計期間預先設計魯棒的通信協(xié)議。

　　在連接的魯棒性至關重要的情況下(如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET和ModbusTCP)，工業(yè)有線通信發(fā)揮著關鍵作用。遠距離傳感器節(jié)點可以用無線網絡向網關回傳信息，網關則依賴有線基礎設施。數(shù)量較少的聯(lián)網物聯(lián)網節(jié)點會一律使用有線通信，因為多數(shù)這些設備會采用無線連接。借助有效的工業(yè)物聯(lián)網連接策略，可以將傳感器安裝在可以檢測到有價值信息的任何地方，不僅是現(xiàn)有的通信設施和電源基礎設施所在之處。

　　傳感器節(jié)點必須有與網絡通信的方法。以太網在有線領域占據(jù)主導，因為工業(yè)物聯(lián)網框架把更高層的協(xié)議映射于這類連接上。具體的以太網實施方案的速率范圍為10 Mbps至100 Gbps及以上。高速率通常面向互聯(lián)網主干網，用于連接云中的服務器群。

　　對于想要走智能化道路的IIoT來說，在考慮采用哪種通信和網絡技術時，解決面臨的以下諸多挑戰(zhàn)成功部署無線網絡則是一條必經之路。

　　范圍、帶寬、功率、安全性與可靠性……一個也不能少

　　接入網絡的工業(yè)物聯(lián)網設備傳輸數(shù)據(jù)的距離是部署通信系統(tǒng)需要首要考慮的一個重點。以米為單位的短程個人局域網(PAN)可以用于通過BLE進行設備調試的情況，長達數(shù)百米的局域網(LAN)則可用于安裝在同一棟建筑中的自動化傳感器。廣域網(WAN)以千米為單位，其應用包括安裝在大型農場里的農用傳感器。選擇的網絡協(xié)議應與工業(yè)物聯(lián)網的具體應用案例要求的范圍相匹配。例如，對于工作距離為數(shù)十米的室內局域網應用，4G蜂窩網絡在復雜程度和功率方面就不合適。在要求范圍內傳輸數(shù)據(jù)有困難時，邊緣計算不失為一種替代方案。

　　短程無線鏈接

　　而帶寬限制了可以從工業(yè)物聯(lián)網傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的最大速率以及向下游傳輸數(shù)據(jù)的最大速率，需要考慮每臺設備隨時間推移產生的數(shù)據(jù)總量、網關中部署和聚合的節(jié)點數(shù)以及以恒定數(shù)據(jù)流或間歇性突發(fā)方式存在的突發(fā)數(shù)據(jù)高峰期需要的可用帶寬三大因素。網絡協(xié)議包的大小最好與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小相匹配，發(fā)送含有空數(shù)據(jù)的包會造成效率下降。

　　如果工業(yè)物聯(lián)網設備必須用電池供電，為了省電，可以在其空閑時使其進入睡眠模式。同時可以在不同的網絡負載條件下模擬設備的功耗，這樣可以確保設備的電源和電池容量與傳輸必要數(shù)據(jù)需要的功耗相匹配。

　　網絡中不同可能節(jié)點之間的協(xié)調配合也是個挑戰(zhàn)。為了維持互聯(lián)網的協(xié)調能力，傳統(tǒng)方法是采用標準有線和無線協(xié)議。為了跟上新技術的快速發(fā)展步伐，很難實現(xiàn)新的工業(yè)物聯(lián)網流程的標準化。以工業(yè)物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)為例，看看符合現(xiàn)有解決方案需要的最佳技術，如果被廣泛運用，則實現(xiàn)長期協(xié)調配合的概率會更高。

　　此外，工業(yè)物聯(lián)網的網絡安全性在系統(tǒng)中起著三個重要的作用：機密性、完整性和真實性。機密性要求網絡數(shù)據(jù)只停留在已知框架中，不允許數(shù)據(jù)被外部設備破壞或截獲;數(shù)據(jù)完整性要求消息內容與發(fā)射數(shù)據(jù)完全相同，不改變、減少或增加信息;真實性則要求從符合預期的獨家來源接收數(shù)據(jù)。連接不安全網關的安全無線節(jié)點會造成安全漏洞，有可能遭到破壞。數(shù)據(jù)時間戳有助于發(fā)現(xiàn)是否有任何信號被跳過并被通過旁道傳輸。時間戳也可以用于正確重整來自多個未同步傳感器的凌亂的關鍵時間數(shù)據(jù)。

　　頻段、通信協(xié)議與網絡拓撲結構選擇有訣竅

　　物聯(lián)網無線傳感器可以在蜂窩基礎設施中使用特許執(zhí)照頻段，但這些設備可能非常耗電。在車載遠程信息處理這個應用示例中，需要采集移動信息，所以，短程無線通信并不可行。然

　　而，許多其他低功耗工業(yè)應用通常選擇會占用ISM頻段中免執(zhí)照頻譜。IEEE 802.15.4低功耗無線標準可能是諸多工業(yè)物聯(lián)網應用的理想選擇，該標準的工作頻段為2.4 GHz、915 MHz和868 MHz ISM，總共有27個通道可以用于射頻通道多次跳躍。

　　藍牙低能耗(BLE)是一種功耗大幅減小的解決方案，它不是文件傳輸?shù)睦硐脒x擇，卻更適合小塊數(shù)據(jù)。其主要優(yōu)勢是與競爭技術相比，已與移動設備廣泛集成，所以更具普遍性。藍牙4.2核心規(guī)范采用高斯頻移調制，工作頻段為2.4 GHz ISM，范圍為50米至150米，數(shù)據(jù)速率為1 Mbps。

　　IEEE 802.15.4 頻段與通道分配

　　通信協(xié)議則是通信系統(tǒng)中用來格式化數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)交換的一組規(guī)則和標準。開放系統(tǒng)互連(OSI)模型將通信分解成不同的功能層，以便更容易地實現(xiàn)可擴展的互操作型網絡。OSI模型有七個層次：物理(PHY)層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。

　　OSI與TCP/IP模型

　　IEEE 802.15.4協(xié)議還規(guī)定了兩個設備類別，全功能設備(FFD)可以用在任何拓撲結構中，作為PAN協(xié)調器與任何其他設備通信;精簡功能設備(RFD)僅限于星形拓撲結構，因為它不能成為網絡協(xié)調器。它只能在簡單的IEEE 802.15.4實施方案中與網絡協(xié)調器通信。根據(jù)具體應用，有多種網絡模型：點對點模型、星模型、網模型和多跳模型。

　　網絡模型：點對點、星形、網狀和多跳拓撲結構

　　在此趨勢下趨勢，亞德諾半導體(ADI)針對AduCx系列微控制器，以及Blackfin系列DSP提供支持有線網絡協(xié)議的全套無線模擬收發(fā)器。例如低功耗無線大功率收發(fā)模塊方案ADRF7242支持IEEE 802.15.4、可編程數(shù)據(jù)速率和調制方案，采用全球ISM頻段，速率范圍為50 kbps至2000 kbps，符合FCC和ETSI標準的要求。ADRF7023的工作頻段為全球免執(zhí)照ISM頻段，工作頻率為433 MHz、868 MHz和915 MHz，速率范圍為1 kbps至300 kbps。此外，ADI公司還提供完整的WSN開發(fā)平臺，助力定制解決方案的設計。