大型生產(chǎn)場(chǎng)景中涉及大量的設(shè)備、生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)、工人和產(chǎn)品，穩(wěn)定、高速、易管理的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是必不可少的需求，今天來(lái)聊一聊其中的無(wú)線通訊技術(shù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等短距離通信技術(shù);另一類(lèi)是LPWAN(low-power Wide-Area Network)，即低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LPWAN又分為兩類(lèi)：一類(lèi)是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù);另一類(lèi)是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。不同的無(wú)線技術(shù)在組網(wǎng)、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場(chǎng)景。例如，Sub-1GHz技術(shù)適用于傳輸距離遠(yuǎn)、電池供電、須具備強(qiáng)健性的應(yīng)用環(huán)境;藍(lán)牙適合高速、傳輸更多信息、通過(guò)手機(jī)控制的狀況;Thread、Wi-Fi等技術(shù)也有各自的優(yōu)勢(shì)與適用情境。
工業(yè)4.0應(yīng)用場(chǎng)景中的無(wú)線連接值得注意的是，新的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷涌現(xiàn)。例如，作為傳統(tǒng)WiFi技術(shù)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，Wi-Fi HaLow可提供獨(dú)特的安全、遠(yuǎn)距離、低功耗和高度優(yōu)化的無(wú)線連接組合，極大地提升了工廠自動(dòng)化的管理效率。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中不同無(wú)線技術(shù)的性能比較
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中不同無(wú)線技術(shù)的傳輸速率與距離工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中不同無(wú)線技術(shù)的接收效率和距離下面分別列出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中最常見(jiàn)的幾種無(wú)線技術(shù)：ZigBee、藍(lán)牙、Lora、NB-IoT、Sigfox，以及最新的WiFi Halow技術(shù)。ZigBee被正式提出來(lái)是在2003年，它的出現(xiàn)是為了彌補(bǔ)藍(lán)牙通信協(xié)議的高復(fù)雜、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺陷。名稱(chēng)取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在的方位信息，依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee可工作在三個(gè)頻段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一個(gè)頻段世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)信道，為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無(wú)線電頻段。三個(gè)頻段傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，是專(zhuān)為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，具有如下特點(diǎn)：低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，其他無(wú)線設(shè)備望塵莫及。成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議免專(zhuān)利費(fèi)。復(fù)雜性低：ZigBee協(xié)議的大小一般在4~32KB，而藍(lán)牙和WiFi一般都超過(guò)100KB。時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò), 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多可以有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò)組成靈活。可靠：采取了碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee雖然具有低功耗、低成本，低速率、高容量、長(zhǎng)電池壽命等優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)，即抗干擾性差，通信距離短，而且ZigBee協(xié)議沒(méi)有開(kāi)源。藍(lán)牙技術(shù)最早始于1994，由電信巨頭愛(ài)立信公司研發(fā)，是在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行無(wú)線短距離通信的最簡(jiǎn)單、最便捷的方法，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙技術(shù)被廣泛地用于手機(jī)、PDA等移動(dòng)設(shè)備，PC、GPS設(shè)備，以及大量的無(wú)線外圍設(shè)備(藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙鍵盤(pán)等)。藍(lán)牙采用跳頻技術(shù)，通信頻段為2.402GHz~2.480GHz。截止目前為止已經(jīng)更新了10個(gè)版本，分別為藍(lán)牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0，通信半徑從幾米到幾百米延伸。相比之前的藍(lán)牙4.2甚至更老的版本，藍(lán)牙5.0有如下特點(diǎn)：更快的傳輸速度：速度上限為2Mbps，是之前4.2LE版本的2倍。更遠(yuǎn)的有效距離：有效距離是上一版本的4倍。理論上，藍(lán)牙發(fā)射和接收設(shè)備之間的有效工作距離可達(dá)300米。導(dǎo)航功能：添加了更多的導(dǎo)航功能，可以作為室內(nèi)導(dǎo)航信標(biāo)或類(lèi)似定位設(shè)備使用，結(jié)合WiFi可以實(shí)現(xiàn)精度小于1米的室內(nèi)定位。更多的傳輸功能：增加了更多的數(shù)據(jù)傳輸功能，硬件廠商可以通過(guò)藍(lán)牙5.0創(chuàng)建更復(fù)雜的連接系統(tǒng)，比如Beacon或位置服務(wù)。更低的功耗：大大降低了功耗，人們?cè)谑褂盟{(lán)牙的過(guò)程中再也不必?fù)?dān)心待機(jī)時(shí)間的問(wèn)題。藍(lán)牙技術(shù)的最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于外部網(wǎng)絡(luò)、速率快、低功耗，安全性高。只要有手機(jī)和智能設(shè)備，就能保持穩(wěn)定的連接，走到哪連到哪。其缺點(diǎn)是不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網(wǎng)能力比較弱，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，不適合多點(diǎn)布控。LoRa是美國(guó)Semtech公司開(kāi)發(fā)和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離、低功耗無(wú)線傳輸方案，為用戶(hù)提供了一種能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、大容量的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，進(jìn)而擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，工作頻率在美國(guó)是915MHz，在歐洲是868MHz，在亞洲是433MHz。其典型范圍是2km至5km，最長(zhǎng)距離可達(dá)15km，具體取決于所處的位置和天線特性。低功耗：通信距離可達(dá)15公里，接受電流僅10mA，睡眠電流200nA，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。大容量：在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)覆蓋范圍可達(dá)10公里。支持測(cè)距和定位：LoRa對(duì)距離的測(cè)量是基于信號(hào)的空中傳輸時(shí)間，定位則基于多點(diǎn)(網(wǎng)關(guān))對(duì)一點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))空間傳輸時(shí)間差的測(cè)量，定位精度可達(dá)5m(假設(shè)10km的范圍)。因此，LoRa技術(shù)非常適于要求低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如能停車(chē)、車(chē)輛追蹤、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等。LoRa的缺點(diǎn)是傳輸速率慢，通信頻段易受干擾，芯片供應(yīng)被Semtech壟斷，從底層開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，以及自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制較為復(fù)雜，因此一般公司不愿研究LoRa技術(shù)，更愿意買(mǎi)模塊直接用。NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)起源于一家英國(guó)新創(chuàng)公司Neul(2014年被華為收購(gòu))，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)。與使用標(biāo)準(zhǔn)LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同，NB-IoT使用包含12個(gè)15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊，數(shù)據(jù)速率在100kb/s到1Mb/s范圍之內(nèi)。NB-IoT使用授權(quán)頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。作為一項(xiàng)應(yīng)用于低速率業(yè)務(wù)的技術(shù)，NB-IoT的優(yōu)勢(shì)主要有：低功耗：NB-IoT犧牲了速率，卻換回了更低的功耗。采用簡(jiǎn)化的協(xié)議，更合適的設(shè)計(jì)，大幅提升了終端的待機(jī)時(shí)間，部分NB終端的待機(jī)時(shí)間號(hào)稱(chēng)可以達(dá)到10年!低成本：與LoRa相比，NB-IoT無(wú)需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都可以復(fù)用。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)，模塊價(jià)格不超過(guò)5美元。海量連接：在同一基站的情況下，NB-IoT可比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50~100倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。廣覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力。雖然NB-IoT具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其低速數(shù)據(jù)傳輸、隱私和安全、IT系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間等問(wèn)題，都將限制其發(fā)展。Sigfox源自法國(guó)的Sigfox公司以超窄帶(UNB，Ultra Narrow Band)技術(shù)建設(shè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，既是一種無(wú)線技術(shù)，也是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。Sigfox無(wú)線電設(shè)備采用一種被稱(chēng)為超窄帶(UNB)調(diào)制的技術(shù)，偶爾以低數(shù)據(jù)速率傳送短消息，消息最長(zhǎng)是12個(gè)字節(jié)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)每天可以傳送的消息數(shù)量最多140條。由于是窄帶寬和短消息，因此除了其162dB的鏈路預(yù)算外，還可以達(dá)到數(shù)公里的長(zhǎng)傳輸距離。對(duì)于僅需發(fā)送較小的不頻繁數(shù)據(jù)的突發(fā)應(yīng)用，Sigfox是絕佳選擇。Sigfox的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送回傳感器/設(shè)備(下行鏈路能力)受到嚴(yán)重限制，信號(hào)干擾也可能成為問(wèn)題。連接不穩(wěn)，效率不高，時(shí)段時(shí)續(xù)，這些一直是WiFi技術(shù)讓人頭疼的問(wèn)題。HaLow是適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新版WiFi，代號(hào)是802.11ah，它使WiFi可以應(yīng)用到更多地方，如小尺寸、電池供電的可穿戴設(shè)備，同時(shí)也適用于工業(yè)設(shè)施內(nèi)的部署，以及介于兩者之間的應(yīng)用。HaLow采用900MHz頻段，低于當(dāng)前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段，更適合小量數(shù)據(jù)負(fù)荷以及低功耗設(shè)備。美國(guó)使用902MHz至928MHz的免許可頻段， 其它國(guó)家使用1GHz以下的類(lèi)似頻段。雖然大多數(shù)WiFi設(shè)備在理想條件下最大只能達(dá)到100m的覆蓋范圍，但HaLow在使用合適天線的情況下可以遠(yuǎn)達(dá)1km，信號(hào)更強(qiáng)，且不容易被干擾。HaLow號(hào)稱(chēng)傳輸距離是標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz WiFi的兩倍，而且穿墻能力更強(qiáng)。HaLow不適于快速傳輸數(shù)據(jù)，也不適合網(wǎng)頁(yè)瀏覽(這對(duì)物聯(lián)設(shè)備影響不大)。另外，900MHz是未經(jīng)授權(quán)的頻段，容易受到干擾。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線技術(shù)參數(shù)比較據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IHS Markit的最新報(bào)告，在低功耗廣域網(wǎng)無(wú)線技術(shù)中，LoRa與NB-IoT可說(shuō)是遙遙領(lǐng)先，LTE-M版本的4G蜂窩技術(shù)位居第三名，Sigfox緊隨其后。IHS Markit預(yù)測(cè)，NB-IoT與LoRa到2023年可望占據(jù)所有LPWAN鏈路的86%，2023年將會(huì)是這兩種技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，其中更多私有網(wǎng)絡(luò)將采用LoRa，NB-IoT則主要應(yīng)用于公共網(wǎng)絡(luò)。值得一提的是，華為旗下的海思(HiSilicon)是目前NB-IoT芯片的領(lǐng)導(dǎo)供貨商，其中有九成布署于中國(guó);排名第二的NB-IoT芯片供貨商是臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科(Mediatek)，第三大供貨商則是中國(guó)的紫光展銳(Unisoc)。而Sigfox主要依靠一家創(chuàng)投公司支持，成為全球物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商并保持技術(shù)專(zhuān)有。IHS Markit的調(diào)查報(bào)告顯示，2017年Sigfox的出貨量還不到9,000個(gè)模塊，市占率排名第三，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于LoRa和NB-IoT。IHS Markit預(yù)測(cè)Sigfox的年銷(xiāo)售可望在2021年時(shí)成長(zhǎng)10倍，但仍位居LoRa和NB-IoT之后。與此同時(shí)，藍(lán)牙聯(lián)盟和Wi-Fi聯(lián)盟都使出了自己的大招。藍(lán)牙 5.0 提升的信號(hào)覆蓋范圍號(hào)稱(chēng)能覆蓋整棟公寓，足以媲美家用 WiFi 路由器的數(shù)據(jù)傳輸距離。HaLow則融合了以前WiFi技術(shù)與藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，客戶(hù)的需求是豐富多樣的，單一技術(shù)無(wú)法解決客戶(hù)的所有問(wèn)題。不同的無(wú)線技術(shù)彼此競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)又互為補(bǔ)充，因?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)，沒(méi)有一種通信技術(shù)能夠一統(tǒng)天下。
