實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)是什么

　　Bernd?Hantsche?（儒卓力?嵌入式及無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品?營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)）

　　摘?要：隨著業(yè)界實(shí)施工業(yè)4.0，除千兆線(xiàn)路外，無(wú)線(xiàn)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多地在工業(yè)領(lǐng)域中大展拳腳?，F(xiàn)在的問(wèn)題不再是無(wú)線(xiàn)技術(shù)會(huì)否發(fā)展，而是將如何及何時(shí)發(fā)揮作用。本文探討了多種無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；無(wú)線(xiàn)；ZigBee 3.0；mesh；LoRa

　　測(cè)量和控制數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)已有長(zhǎng)足發(fā)展，這甚至使近期評(píng)論家們重新思考其立論“我們的系統(tǒng)必須正常運(yùn)行——無(wú)線(xiàn)技術(shù)不夠安全”。但是，究竟哪種標(biāo)準(zhǔn)最合適，還是要取決于具體應(yīng)用。

　　1 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別I：靠近工件，但必須靈活、自給自足且免維護(hù)

　　在較新的生產(chǎn)線(xiàn)上，第一批無(wú)需電纜和滑動(dòng)觸點(diǎn)運(yùn)作的傳感器和執(zhí)行器格外引人注目。它們安裝靈活，可以在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全新的運(yùn)動(dòng)順序。先前，導(dǎo)致生產(chǎn)停頓的扁平電池一直是未安裝此類(lèi)解決方案的最常見(jiàn)原因。但是現(xiàn)在，自供電的傳感器和執(zhí)行器經(jīng)受住了考驗(yàn)。借助能量收集模塊，它們能將周?chē)墓饽芑驘崃坎町愞D(zhuǎn)換為足夠的電能，從而能夠可靠地通過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的短距離無(wú)線(xiàn)連接發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果在任一時(shí)刻它無(wú)法從環(huán)境中獲取足夠的能量，則本地的能量存儲(chǔ)單元可確保數(shù)周無(wú)故障運(yùn)行。除了1 GHz以下的EnOcean協(xié)議外，還可以使用2.4 GHz頻段上的藍(lán)牙5和ZigBee 3.0協(xié)議將傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

　　ZigBee聯(lián)盟似乎從過(guò)去的錯(cuò)誤中學(xué)到了經(jīng)驗(yàn)。因此，3.0版本不僅用于Amazon Echo、Philips Hue、宜家Tr?dfri和Osram Lightfy，而且由于其規(guī)格，在工業(yè)領(lǐng)域中也很流行。兼容的EnOcean模塊組合可幫助ZigBee應(yīng)用進(jìn)行能量收集。像無(wú)線(xiàn)堆棧一樣，無(wú)線(xiàn)單元基于Nordic Semiconductor提供的半導(dǎo)體器件。對(duì)于直接的P2P連接或者與智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦的交互使用，同樣可以使用藍(lán)牙連接，并且藍(lán)牙連接是完全自供電的。

　　如果需要更大的傳輸范圍，或者由于頻率計(jì)劃而無(wú)法在站點(diǎn)上使用2.4 GHz頻段，則EnOcean聯(lián)盟的EnOcean協(xié)議提供了可靠的選擇方案。這可以部署EnOcean模塊用于能量轉(zhuǎn)換和無(wú)線(xiàn)通信。作為分銷(xiāo)商，儒卓力與EnOcean GmbH、EnOcean Alliance以及Nordic Semiconductor合作。這意味著全行業(yè)的開(kāi)發(fā)人員都可以找到解決方案，即便是針對(duì)特定軟件的改編和更復(fù)雜的問(wèn)題。

　　2 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別II：隨時(shí)接收——在工廠大樓內(nèi)交叉鏈接

　　在更復(fù)雜的較大型網(wǎng)絡(luò)中，使用傳感器或執(zhí)行器連接到網(wǎng)關(guān)、集線(xiàn)器或邊緣計(jì)算機(jī)，這種看起來(lái)完美的解決方案（因其免維護(hù)且自給自足）很快達(dá)到了極限。特別是對(duì)于非時(shí)間同步的mesh拓?fù)?，每個(gè)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)必須永久處于接收狀態(tài)，以便接收傳入的數(shù)據(jù)包并確保立即對(duì)其進(jìn)行處理。這需要提供永久性的更密集能量。在固定無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的情況下，可以使用有線(xiàn)電源，而對(duì)于“浮動(dòng)”無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，空中燃料充電技術(shù)是一種與Qi充電技術(shù)相比移動(dòng)性更強(qiáng)的移動(dòng)替代方案。而滿(mǎn)足不同需求的最佳折衷方法通常是傳統(tǒng)電池。

　　許多無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（例如藍(lán)牙Mesh、Wi-Fi Mesh和ANT Blaze）以往雖然都基于星形拓?fù)洌@幾年來(lái)都提供mesh拓?fù)?。ZigBee、Thread和其他一些軟件從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)用于mesh網(wǎng)絡(luò)通信。Wi-Fi Mesh幾乎可以實(shí)現(xiàn)零電源管理，而上面提到的其他所有mesh系統(tǒng)充電一次即可工作數(shù)月。

　　與使用ZigBee控制LED光源的家居領(lǐng)域相比，很明顯，未布線(xiàn)的藍(lán)牙Mesh為倉(cāng)庫(kù)和生產(chǎn)車(chē)間、開(kāi)放式辦公室和走廊中的工業(yè)照明系統(tǒng)設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。與專(zhuān)門(mén)路由數(shù)據(jù)包的傳統(tǒng)方法不同，mesh數(shù)據(jù)流可確保特別快速的反應(yīng)和吞吐量時(shí)間。盡管如此，智能電話(huà)和類(lèi)似產(chǎn)品仍可以集成到網(wǎng)絡(luò)中，與必須通過(guò)路由器才能連接IT設(shè)備的其他無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)相比，它提供了另一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

　　藍(lán)牙Mesh是理論上可以放置在任何藍(lán)牙4.0硬件上的中間層。但是，由于藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟設(shè)定了最新的定價(jià)系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)新系統(tǒng)時(shí)，最好使用最新的藍(lán)牙5或5.1硬件。儒卓力提供來(lái)自意法半導(dǎo)體、Redpine Signals、Nordic Semiconductor和Toshiba的帶有相關(guān)堆棧的半導(dǎo)體產(chǎn)品。如果你希望采用集成高頻電路和認(rèn)證的解決方案，則可以選擇來(lái)自InsightSiP、佳明（Garmin）、松下、村田、Telit、富士通、云里物里（Minew）和Redpine Signal的藍(lán)牙Mesh模塊。

　　3 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別III：視野范圍之外，但緊密相連

　　在物流中心、火車(chē)站和港口等轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)技術(shù)是首選方案。在使用公共和免許可證ISM頻段的技術(shù)中，LoRa技術(shù)已在大多數(shù)中歐國(guó)家中被認(rèn)可。法國(guó)和荷蘭主要是因?yàn)槠淞己玫木W(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展而選擇了Sigfox技術(shù)。

　　但是，2019年出現(xiàn)了變化趨勢(shì)：根據(jù)地區(qū)和應(yīng)用的不同，用于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的Cat M1和Cat NB1 4G標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)勁的增長(zhǎng)。初始測(cè)試階段已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)。而LTE-M可用于可更換電池的跟蹤應(yīng)用，LTE NB1消耗的能量則更少。

　　然而，許多國(guó)家正在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，并且正在部署低功耗移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)。德國(guó)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)供應(yīng)商顯然主要集中在計(jì)量市場(chǎng)。由于已安裝的電表、氣表或水表不會(huì)移動(dòng)，因此在連接期間無(wú)需更改移動(dòng)無(wú)線(xiàn)單元。其他國(guó)家/地區(qū)的提供商則傾向于選擇跟蹤移動(dòng)對(duì)象的應(yīng)用，并且專(zhuān)注于擴(kuò)展類(lèi)別M1。大多數(shù)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)模塊制造商同時(shí)支持兩種網(wǎng)絡(luò)。儒卓力提供來(lái)自Telit、NordicSemiconductor、村田、Telic、研華的解決方案，并很快將提供來(lái)自其他特許經(jīng)營(yíng)合作伙伴的產(chǎn)品。

　　像2G、3G和常規(guī)4G模塊一樣，LTE M1收發(fā)器也經(jīng)常與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）結(jié)合到一個(gè)外殼中，因?yàn)樗鼈冇糜诟櫤捅O(jiān)視集裝箱、車(chē)輛、高端商品、人與動(dòng)物的位置和移動(dòng)。位置必須通過(guò)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定義和傳輸。幾年前，GPS是個(gè)幾乎沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。不過(guò)，俄羅斯Glonass和中國(guó)北斗系統(tǒng)成為了GNSS替代方案，盡管它們還沒(méi)有完全達(dá)到美國(guó)導(dǎo)航體系的標(biāo)準(zhǔn)。2019年歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)取得了突破，它已經(jīng)在數(shù)百萬(wàn)部智能手機(jī)中成功運(yùn)行了一段時(shí)間。2019年，伽利略系統(tǒng)決定免費(fèi)提供更高的跟蹤精確度，因此在免費(fèi)使用第一層數(shù)據(jù)方面，伽利略系統(tǒng)現(xiàn)在已領(lǐng)先于GPS系統(tǒng)。此外，伽利略是唯一提供身份驗(yàn)證功能的系統(tǒng)。這確保了接收到的信號(hào)實(shí)際上來(lái)自伽利略系統(tǒng)而不是來(lái)自偽發(fā)射臺(tái)。但是，幾乎所有用戶(hù)都會(huì)被建議并行安裝盡可能多的導(dǎo)航系統(tǒng)。由于使用了更多的衛(wèi)星，所以大多數(shù)現(xiàn)代的多GNNS接收器都可以工作得更快速、更節(jié)能和更準(zhǔn)確。然而，我們應(yīng)該為將來(lái)的變化做好準(zhǔn)備，在其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)做出反應(yīng)。模塊中的NB1或M1調(diào)制解調(diào)器可用于更改固件設(shè)置。

　　對(duì)于使用帶有LoRa、Sigfox、Wi-Fi或藍(lán)牙的GNSS應(yīng)用，必須確保在主機(jī)控制器中接入GNSS單元操作模式的相應(yīng)選項(xiàng)。通常，創(chuàng)建一個(gè)NMEA控制命令，告訴接收器應(yīng)該使用哪個(gè)系統(tǒng)以及忽略哪個(gè)系統(tǒng)就足夠了。此項(xiàng)遠(yuǎn)程功能必須始終手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在最壞的情況下，它可能會(huì)對(duì)應(yīng)用造成災(zāi)難性的影響，但也可以挽救生命或生意業(yè)務(wù)。

　　4 流程級(jí)別：歡迎使用第6代Wi-Fi

　　在處理級(jí)別，來(lái)自各個(gè)工作站的所有數(shù)據(jù)將被收集起來(lái)。通常，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別傳感器上收集的數(shù)據(jù)并不能立刻使用。為了從中獲取信息，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最低程度的初步處理。對(duì)于許多應(yīng)用而言，能夠比較并行接收的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是有利的。另外可以建立精心設(shè)計(jì)的模式匹配算法，不僅可以與兩種靜態(tài)模式進(jìn)行比較，但也需要不斷調(diào)整其參考值。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題以及類(lèi)似的計(jì)算密集型任務(wù)，通常使用基于x86的重型系統(tǒng)。

　　目前這個(gè)趨勢(shì)朝互連方向發(fā)展，并且朝著從系統(tǒng)級(jí)別到無(wú)線(xiàn)技術(shù)的方向發(fā)展。但是，第6代Wi-Fi不僅比早期的Wi-Fi更快速，而且在為訂戶(hù)提供更好的連接管理方面也獨(dú)樹(shù)一幟，在專(zhuān)業(yè)安裝方案中的得分特別高。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在即將推出的5G網(wǎng)絡(luò)改善了頻率分配。通過(guò)與英特爾結(jié)為技術(shù)合作伙伴，儒卓力能夠從一開(kāi)始就為其客戶(hù)提供面向市場(chǎng)的Wi-Fi 6解決方案。工業(yè)PC、面板PC和NUC對(duì)m.2 PC卡的需求特別大。

　　5 系統(tǒng)級(jí)別：取決于位置

　　系統(tǒng)級(jí)別的技術(shù)選擇在很大程度上取決于復(fù)雜性和當(dāng)?shù)厍闆r，例如工廠現(xiàn)場(chǎng)的范圍或操作頻率計(jì)劃。對(duì)于較小的動(dòng)態(tài)操作，Wi-Fi 6可以作為解決方案，而對(duì)于具有非常靜態(tài)安裝的較大型企業(yè)，有線(xiàn)解決方案仍將是合適方案。然而，一旦5G技術(shù)可用且價(jià)格可承受，就必須重新考量這些安裝。

　　6 運(yùn)作級(jí)別：較早一代技術(shù)仍然是可行選擇

　　在不同工廠之間進(jìn)行通信時(shí)，信息預(yù)先被壓縮得非常密集，因此傳統(tǒng)的LTE足以應(yīng)付數(shù)據(jù)吞吐量和等待時(shí)間，即便在大型國(guó)際企業(yè)中也是如此。那些希望確保其有線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)連接的用戶(hù)，已經(jīng)可以經(jīng)由LTE路由器通過(guò)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸重要的關(guān)鍵運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。

　　在用戶(hù)選擇現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別的情況下，這是單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的問(wèn)題，通常主要針對(duì)較低的LTE類(lèi)別，在運(yùn)作級(jí)別上，有可能選擇LTE類(lèi)別6或更高級(jí)別。功耗和調(diào)制解調(diào)器的價(jià)格可以忽略，因?yàn)橛?jì)算機(jī)始終使用主電源運(yùn)行，并且僅使用了很少的LTE調(diào)制解調(diào)器或LTE路由器。Telit、Telic和研華提供PC卡、外部調(diào)制解調(diào)器和路由器等解決方案。例如，一個(gè)單獨(dú)的整體解決方案可以與英特爾或華碩服務(wù)器結(jié)合使用，后者配置有Telit的LTE調(diào)制解調(diào)器和英特爾的WiFi 6卡。

　　7 無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化的更多發(fā)展趨勢(shì)

　　另一項(xiàng)技術(shù)在終端用戶(hù)智能手機(jī)領(lǐng)域取得成功之后，也在工業(yè)環(huán)境中取得了進(jìn)展。13.56 MHz RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)有源閱讀器與無(wú)源應(yīng)答器之間以及兩個(gè)有源閱讀器之間的安全交換。由于它幾乎與所有現(xiàn)代平板電腦和智能手機(jī)兼容，因此可以使用經(jīng)濟(jì)型的標(biāo)準(zhǔn)硬件。通常不需要部署較昂貴的特殊設(shè)備，例如RFID電子槍。除了低硬件成本之外，它還提供了軟件編程優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)于那些希望使用RFID實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離讀取或一次性?huà)呙瓒鄠€(gè)應(yīng)答器的應(yīng)用，仍然需要使用其他頻率或者在有源系統(tǒng)上進(jìn)行查看。在這種情況下，應(yīng)答器不是由讀取器的電磁場(chǎng)提供電能的，而是通過(guò)負(fù)載耦合進(jìn)行通信的，不過(guò)它們具有自己的電源（通常是電池或太陽(yáng)能），并且基于藍(lán)牙或類(lèi)似的專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議在2.4 GHz頻段中進(jìn)行通信。

　　在既不使用固定電纜也不進(jìn)行能量收集的情況下，即使是低功耗藍(lán)牙之類(lèi)的經(jīng)濟(jì)型無(wú)線(xiàn)連接也會(huì)很快耗盡電池，因此越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用選擇了ANT協(xié)議。例如，第一個(gè)飛行時(shí)間傳感器不久將可用于高精度距離映射，而這要求的功耗很低。

　　此外，ANT在大多數(shù)安卓智能手機(jī)都是出廠時(shí)可用的，并且采用多協(xié)議SoC解決方案的設(shè)備可以在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)流量，而不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的硬件成本。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第12期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。