Bernd Hantsche （儒卓力 嵌入式及无线产品 营销总监）
摘 要：跟着业界施行工业4.0，除千兆线路外，无线技能将会越来越多地在工业范畴中大展拳脚。现在的问题不再是无线技能会否开展，而是将怎么及何时发挥作用。本文探讨了多种无线规范的特色。
要害词：工业4.0；无线；ZigBee 3.0；mesh；LoRa
丈量和操控数据的无线传输规范已有长足开展，这乃至使近期评论家们从头考虑其立论“咱们的体系有必要正常运转——无线技能不行安全”。可是，终究哪种规范最适宜，仍是要取决于详细运用。
1 现场等级I：接近工件，但有必要灵敏、自给自足且免保护
在较新的出产线上，第一批无需电缆和滑动触点运作的传感器和执行器分外有目共睹。它们装置灵敏，能够在出产过程中完成全新的运动次序。从前，导致出产中止的扁平电池一直是未装置此类解决计划的最常见原因。可是现在，自供电的传感器和执行器饱尝住了检测。凭借能量搜集模块，它们能将周围的光能或热量差异转化为满意的电能，然后能够牢靠地经过长达数百米的短间隔无线衔接发送数据包。假如在任一时刻它无法从环境中获取满意的能量，则本地的能量存储单元可保证数周无毛病运转。除了1 GHz以下的EnOcean协议外，还能够运用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联盟好像从曩昔的过错中学到了经历。因而，3.0版别不只用于Amazon Echo、Philips Hue、宜家Trådfri和Osram Lightfy，而且因为其规范，在工业范畴中也很盛行。兼容的EnOcean模块组合可协助ZigBee运用进行能量搜集。像无线库房相同，无线单元依据Nordic Semiconductor供给的半导体器材。关于直接的P2P衔接或许与智能手机、平板电脑或笔记本电脑的交互运用，相同能够运用蓝牙衔接，而且蓝牙衔接是彻底自供电的。
假如需求更大的传输规模，或许因为频率计划而无法在站点上运用2.4 GHz频段，则EnOcean联盟的EnOcean协议供给了牢靠的挑选计划。这能够布置EnOcean模块用于能量转化和无线通讯。作为分销商，儒卓力与EnOcean GmbH、EnOcean Alliance以及Nordic Semiconductor协作。这意味着全职业的开发人员都能够找到解决计划，即便是针对特定软件的改编和更杂乱的问题。
2 现场等级II：随时接纳——在工厂大楼内穿插链接
在更杂乱的较大型网络中，运用传感器或执行器衔接到网关、集线器或边际核算机，这种看起来完美的解决计划（因其免保护且自给自足）很快到达了极限。特别是关于非时刻同步的mesh拓扑，每个无线节点有必要永久处于接纳状况，以便接纳传入的数据包并保证立即对其进行处理。这需求供给永久性的更密布能量。在固定无线节点的状况下，能够运用有线电源，而关于“起浮”无线节点，空中燃料充电技能是一种与Qi充电技能比较移动性更强的移动代替计划。而满意不同需求的最佳折衷办法一般是传统电池。
许多无线规范（例如蓝牙Mesh、Wi-Fi Mesh和ANT Blaze）以往虽然都依据星形拓扑，但这几年来都供给mesh拓扑。ZigBee、Thread和其他一些软件从一开端就规划用于mesh网络通讯。Wi-Fi Mesh简直能够完成零电源办理，而上面说到的其他一切mesh体系充电一次即可作业数月。
与运用ZigBee操控LED光源的家居范畴比较，很明显，未布线的蓝牙Mesh为库房和出产车间、开放式办公室和走廊中的工业照明体系设定了规范。与专门路由数据包的传统办法不同，mesh数据流可保证特别快速的反响和吞吐量时刻。虽然如此，智能电话和相似产品仍能够集成到网络中，与有必要经过路由器才干衔接IT设备的其他无线规范比较，它供给了另一个巨大的优势。
蓝牙Mesh是理论上能够放置在任何蓝牙4.0硬件上的中间层。可是，因为蓝牙技能联盟设定了最新的定价体系，因而在规划新体系时，最好运用最新的蓝牙5或5.1硬件。儒卓力供给来自意法半导体、Redpine Signals、Nordic Semiconductor和Toshiba的带有相关库房的半导体产品。假如你期望选用集成高频电路和认证的解决计划，则能够挑选来自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 现场等级III：视界规模之外，但严密相连
在物流中心、火车站和港口等转运点，长途无线技能是首选计划。在运用公共和免许可证ISM频段的技能中，LoRa技能已在大多数中欧国家中被认可。法国和荷兰首要是因为其杰出的网络扩展而挑选了Sigfox技能。
可是，2019年呈现了改变趋势：依据区域和运用的不同，用于窄带物联网的Cat M1和Cat NB1 4G规范现已完成了微弱的增加。初始测验阶段现已进入批量出产。而LTE-M可用于可替换电池的盯梢运用，LTE NB1耗费的能量则更少。
可是，许多国家正在扩展网络，而且正在布置低功耗移动无线技能。德国移动无线供货商明显首要会集在计量商场。因为已装置的电表、气表或水表不会移动，因而在衔接期间无需更改移动无线单元。其他国家/区域的供给商则倾向于挑选盯梢移动目标的运用，而且专心于扩展类别M1。大多数移动无线模块制造商一起支撑两种网络。儒卓力供给来自Telit、NordicSemiconductor、村田、Telic、研华的解决计划，并很快将供给来自其他特许运营协作伙伴的产品。
像2G、3G和惯例4G模块相同，LTE M1收发器也常常与全球导航卫星体系（GNSS）结合到一个外壳中，因为它们用于盯梢和监督集装箱、车辆、高端产品、人与动物的方位和移动。方位有必要经过移动无线网络进行界说和传输。几年前，GPS是个简直没有竞赛的导航体系。不过，俄罗斯Glonass和我国斗极体系成为了GNSS代替计划，虽然它们还没有彻底到达美国导航体系的规范。2019年欧洲伽利略卫星导航体系取得了打破，它现已在数百万部智能手机中成功运转了一段时刻。2019年，伽利略体系决议免费供给更高的盯梢精确度，因而在免费运用第一层数据方面，伽利略体系现在已领先于GPS体系。此外，伽利略是仅有供给身份验证功用的体系。这保证了接纳到的信号实际上来自伽利略体系而不是来自伪发射台。可是，简直一切用户都会被主张并行装置尽或许多的导航体系。因为运用了更多的卫星，所以大多数现代的多GNNS接纳器都能够作业得更快速、更节能和更精确。可是，咱们应该为将来的改变做好预备，在其中一个体系呈现毛病时能及时做出反响。模块中的NB1或M1调制解调器可用于更改固件设置。
关于运用带有LoRa、Sigfox、Wi-Fi或蓝牙的GNSS运用，有必要保证在主机操控器中接入GNSS单元操作形式的相应选项。一般，创立一个NMEA操控指令，告知接纳器应该运用哪个体系以及疏忽哪个体系就满意了。此项长途功用有必要一直手动完成，在最坏的状况下，它或许会对运用形成灾难性的影响，但也能够抢救生命或生意事务。
4 流程等级：欢迎运用第6代Wi-Fi
在处理等级，来自各个作业站的一切数据将被搜集起来。一般，在现场等级传感器上搜集的数据并不能马上运用。为了从中获取信息，需求对数据进行最低程度的开端处理。关于许多运用而言，能够比较并行接纳的多个现场数据是有利的。别的能够树立精心规划的形式匹配算法，不只能够与两种静态形式进行比较，但也需求不断调整其参考值。为了应对这个问题以及相似的核算密布型使命，一般运用依据x86的重型体系。
现在这个趋势朝互连方向开展，而且朝着从体系等级到无线技能的方向开展。可是，第6代Wi-Fi不只比前期的Wi-Fi更快速，而且在为订户供给更好的衔接办理方面也别出心裁，在专业装置计划中的得分特别高。另一个长处是在行将推出的5G网络改进了频率分配。经过与英特尔结为技能协作伙伴，儒卓力能够从一开端就为其客户供给面向商场的Wi-Fi 6解决计划。工业PC、面板PC和NUC对m.2 PC卡的需求特别大。
5 体系等级：取决于方位
体系等级的技能挑选在很大程度上取决于杂乱性和当地状况，例如工厂现场的规模或操作频率计划。关于较小的动态操作，Wi-Fi 6能够作为解决计划，而关于具有十分静态装置的较大型企业，有线解决计划仍将是适宜计划。可是，一旦5G技能可用且价格可接受，就有必要从头考量这些装置。
6 运作等级：较早一代技能依然是可行挑选
在不同工厂之间进行通讯时，信息预先被紧缩得十分密布，因而传统的LTE足以敷衍数据吞吐量和等待时刻，即便在大型世界企业中也是如此。那些期望保证其有线现场互联网衔接的用户，现已能够经由LTE路由器经过移动无线技能传输重要的要害运营数据。
在用户挑选现场等级的状况下，这是单个传感器数据的问题，一般首要针对较低的LTE类别，在运作等级上，有或许挑选LTE类别6或更高等级。功耗和调制解调器的价格能够疏忽，因为核算机一直运用主电源运转，而且仅运用了很少的LTE调制解调器或LTE路由器。Telit、Telic和研华供给PC卡、外部调制解调器和路由器等解决计划。例如，一个独自的全体解决计划能够与英特尔或华硕服务器结合运用，后者装备有Telit的LTE调制解调器和英特尔的WiFi 6卡。
7 无线自动化的更多开展趋势
另一项技能在终端用户智能手机范畴取得成功之后，也在工业环境中取得了发展。13.56 MHz RFID技能可完成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流。因为它简直与一切现代平板电脑和智能手机兼容，因而能够运用经济型的规范硬件。一般不需求布置较贵重的特别设备，例如RFID电子枪。除了低硬件本钱之外，它还供给了软件编程优势。
关于那些期望运用RFID完成更长间隔读取或一次性扫描多个应答器的运用，依然需求运用其他频率或许在有源体系上进行检查。在这种状况下，应答器不是由读取器的电磁场供给电能的，而是经过负载耦合进行通讯的，不过它们具有自己的电源（一般是电池或太阳能），而且依据蓝牙或相似的专有无线协议在2.4 GHz频段中进行通讯。
在既不运用固定电缆也不进行能量搜集的状况下，即使是低功耗蓝牙之类的经济型无线衔接也会很快耗尽电池，因而越来越多的工业运用挑选了ANT协议。例如，第一个飞翔时刻传感器不久将可用于高精度间隔映射，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，而且选用多协议SoC解决计划的设备能够在蓝牙网络中传输数据流量，而不会发生进一步的硬件本钱。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第12期第29页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
