文 | 沈韩杨
上下求索，只为真知
联网的工业机器可以感知用于在工业物联网（IIoT）中做出关键决策的大量信息。边缘节点内的传感器可以在空间上远离任何数据聚合点。它必须通过将边缘数据与网络链接的网关进行连接。
传感器构成了IIoT生态系统的前端边缘。测量将感测到的信息转换为可量化的数据，例如压力，位移或旋转。可以对数据进行过滤以仅连接节点以外的最有价值的信息以进行处理。低延迟连接可在关键数据可用时立即做出关键决策。
一、感知，测量，解释，连接
边缘节点通常必须通过有线或无线传感器节点（WSN）连接到网络。在信号链的这一部分中，数据完整性仍然是关键。如果通信不一致，丢失或损坏，则最佳的感测和测量数据几乎没有价值。理想情况下，将在系统体系结构设计过程中预先设计强大的通信协议。最佳选择取决于连接要求：范围，带宽，功率，互操作性，安全性和可靠性。
二、有线设备
当连接的可靠性至关重要时，工业有线通信将发挥关键作用，例如EtherNet / IP，KNX，DALI，PROFINET和ModbusTCP。影响深远的传感器节点可以使用无线网络通信回网关，网关随后依赖有线基础结构。相对而言，几乎没有连接的物联网节点将专门使用有线通信，因为这些设备中的大多数将以无线方式连接。有效的IIoT连接策略使传感器可以放置在可以感知到有价值信息的任何位置，而不仅是现有通信和电力基础设施所在的位置。
传感器节点必须具有与网络通信的方法。以太网往往在有线领域占主导地位，因为IIoT框架在这种类型的连接上映射了更高级别的协议。以太网的实现范围从10 Mbps到100 Gbps甚至更高。高端通常针对Internet的骨干网，以链接云中的服务器场。1个
诸如KNX之类的速度较慢的工业网络使用差分信号和30 V电源在双绞铜线上运行，总带宽为9600 bps。虽然每个网段可以支持有限数量的地址（256），但寻址可以支持65,536个设备。最大网段长度为1000 m，可以选择使直放站最多支持4个网段。
三、工业无线挑战
在考虑采用哪种通信和网络技术时，IIoT无线系统设计人员面临许多挑战。因此，在高级别审查中应遵循以下限制条件：
范围
间歇性连接与连续性连接
带宽
功率
互通性
安全
可靠性
1、范围
范围描述了连接到网络的IIoT设备传输数据的距离。以米为单位测量距离的短距离个人局域网（PAN）对于通过BLE调试设备很有意义。可以将长达数百米的局域网（LAN）用于安装在同一建筑物内的自动化传感器。广域网（WAN）以千米为单位进行测量，其应用包括在大型农场中安装的农业传感器。
图1.短程无线连接。
所选的网络协议应匹配IIoT用例所需的范围。例如，对于在数十米范围内运行的室内LAN应用而言，4G蜂窝网络在复杂性和功耗上都是不合适的。当在所需范围内传输数据带来挑战时，边缘计算可能是可行的选择。在边缘节点内执行数据分析，而不是将数据移动到其他地方进行处理。
发射的无线电波遵循功率密度的平方反比定律。信号功率密度与无线电波传播的距离的平方成反比。随着发射距离增加一倍，无线电波仅保留其原始功率的四分之一。发射输出功率每增加6 dBm，可能的范围就会增加一倍。
在理想的自由空间中，平方反比是影响发射范围的唯一因素。但是，由于障碍物（例如墙壁，栅栏和植被）的影响，实际范围可能会降低。空气湿度可以吸收射频能量。金属物体会反射无线电波，导致次要信号在不同时间到达接收器，并产生破坏性干扰，这是额外的功率损耗。
无线电接收机的灵敏度将决定可以实现的最大信号路径损耗。例如，在2.4 GHz工业科学和医学（ISM）频带中，最小接收器灵敏度为–85 dBm。射频辐射器能量在各个方向上均匀传播，形成一个球体（A =4πR2），其中R是从发射机到接收机的距离，以米为单位。自由空间功率损耗（FSPL）与发射器和接收器之间的距离的平方以及无线电信号频率的平方成正比，这是基于Friis传输方程组的。2
其中Pt =以瓦特为单位的发射功率，S =距离R处的功率。
其中Pr =接收功率（瓦）。
λ（以m为单位的透射波长）= c（光速）/ f（Hz）= 3×108（m / s2）/ f（Hz）或300 / f（MHz）
其中f =发射频率。
给定已知的发射频率和所需的距离，可以为感兴趣的发射和接收对计算FPSL。链接预算将采用公式1的形式。
2、带宽和连通性
带宽是可以在特定时间段内传输的数据速率。它限制了从IIoT传感器节点收集数据并向下游传输数据的最大速率。考虑以下因素：
每个设备随时间生成的数据总量
网关内已部署和聚合的节点数
支持以恒定流或间歇性突发形式发送的突发数据高峰时段所需的可用带宽
理想情况下，网络协议的数据包大小应与正在传输的数据的大小匹配。发送填充有空数据的数据包效率很低。但是，将较大的数据块拆分成太多的小数据包也有开销。IIoT设备并不总是连接到网络。它们可以定期连接以节省功率或带宽。
3、力量与互操作性
如果IIoT设备必须依靠电池工作以节省电量，则可以在空闲时将该设备置于睡眠模式。可以在不同的网络负载条件下对设备的能耗进行建模。这可以帮助确保设备的电源和电池容量与传输必要数据所需的消耗相匹配3。
网络中一系列可能的不同节点之间的互操作性可能是一个挑战。采用标准的有线和无线协议已成为维护Internet内部互操作性的传统方法。新的IIoT流程的标准化可能很难跟上新发布技术的快速发展步伐。考虑适用于解决方案的最佳技术的IIoT生态系统。如果该技术被广泛采用，则长期互操作性的可能性更高。
4、安全
IIoT网络安全在系统中扮演着三个重要方面：机密性，完整性和真实性。机密性取决于仅保留在已知框架内的网络数据，而不允许数据受到外部设备的破坏或拦截。数据完整性取决于消息内容与发送的消息内容完全相同，而无需更改，减少或添加信息。4，5真实性取决于从预期的专用源接收数据。错误地与欺骗进行通信是错误身份验证的示例。
连接到不安全网关的安全无线节点是一个漏洞漏洞，并可能造成漏洞。数据时间戳可以帮助识别是否有任何信号已通过边信道跳变并重新发送。时间戳也可以用于在众多不同步的传感器之间正确重组乱序的时间关键数据。
可以在IEEE 802.15.4中实现对AES-128加密的安全支持，并在IEEE 802.11中实现AES-128 / 256。密钥管理，密码质量随机数生成（RNG）和网络访问控制列表（ACL）都有助于提高通信网络的安全性。
5、频段
物联网无线传感器可能会在蜂窝基础架构中使用许可的频段，但这些频段可能是耗电的设备。车载远程信息处理是一个应用示例，其中收集了移动信息，而短程无线通信不是可行的选择。但是，许多其他低功率工业应用将占据ISM频段中的未许可频谱。
IEEE 802.15.4低功耗无线标准非常适合许多工业物联网应用。它在2.4 GHz，915 MHz和868 MHz ISM频段内运行，可为多个RF信道跳变提供总共27个信道。物理层根据全球位置支持未经许可的频带。欧洲在868 MHz处提供600 kHz频道0，而北美在915 MHz处有10 2 MHz频带。2.4 GHz频段内的5 MHz通道11到26可以在全球范围内使用。
蓝牙?低功耗（BLE）可显着降低功耗。BLE不是文件传输的理想选择，但更适合于小数据块。鉴于其广泛集成到移动设备中，它的主要优势是它比竞争技术普遍存在。蓝牙4.2核心规范使用高斯频移调制，在2.4 GHz ISM频段中运行，范围为50 m至150 m，数据速率为1 Mbps。
表1. IEEE 802.15.4频带和信道化
在为IIoT解决方案确定最佳频段时，应考虑2.4 GHz ISM解决方案的优缺点：
优点：
在大多数国家/地区免许可证
适用于所有地理市场的相同解决方案
83.5 MHz的带宽允许以高数据速率使用独立的通道
占空比为100％
与1 GHz以下频段相比的紧凑型天线
缺点：
给定相同的输出功率，与低于1 GHz的频率相比，范围更短
无处不在的扩散会产生许多干扰信号
6、通讯协议
在通信系统中使用了一组用于格式化数据和控制数据交换的规则和标准。开放系统互连（OSI）模型将通信分为功能层，以更轻松地实现可伸缩的可互操作网络。OSI模型实现了七个层：物理（PHY），数据链路，网络，传输，会话，表示和应用层。
图2. OSI和TCP / IP模型。
IEEE 802.15.4和802.11（Wi-Fi）标准位于媒体访问控制（MAC）数据链路子层和PHY层中。紧邻的802.11接入点均应使用一个不重叠的信道，以最大程度地减少干扰影响（图3）。802.11g中使用的调制方案是正交频分复用（OFDM），它比后面描述的IEEE 802.15.4更为复杂。
链路层将无线电信号波转换为比特，反之亦然。该层负责确保可靠通信的数据成帧，并管理对感兴趣的无线电信道的访问。
网络层通过网络路由和寻址数据。互联网协议（IP）在此层中提供IP地址，并将IP数据包从一个节点传送到另一个节点。
在网络两端运行的应用程序会话之间，传输层生成通信会话。这允许多个应用程序在一个设备上运行，每个应用程序使用其自己的通信通道。互联网上的连接设备主要使用传输控制协议（TCP）作为首选的传输协议。
应用层格式化并控制数据，以针对节点传感器的特定应用优化流程。TCP / IP堆栈中一种流行的应用程序层协议是超文本传输??协议（HTTP），该协议被开发用于通过Internet传输数据。
FCC第15部分规则将ISM频段中发射机的有效功率限制为36 dBm。对于2.4 GHz频带中的固定点对点链路，使用总增益EIRP为48 dBm，增益为24 dBi，发射功率为24 dBm的天线是一个例外。发射功率应至少为1 mW。对于小于1％的包错误率，接收机灵敏度应能够在2.4 GHz频带内接受–85 dBm，在868 MHz和915 MHz频带内接受–92 dBm。
图3.全球IEEE 802.15.4 PHY通道11至通道26和IEEE 802.11g通道1至通道14。
7、Brownfield vs. Greenfield
IIoT意味着可以与许多有线和无线标准实现广泛的连接。但是，对于安装到现有网络系统中而言，这些选项可能不那么丰富。新的IIoT解决方案可能需要进行调整以适合网络。
Greenfield安装是在全新环境中从头开始创建的安装。传统设备不要求任何约束。例如，当建造新工厂或仓库时，可以将IIoT解决方案视为其最佳性能的框架计划。
棕地部署是指在现有基础架构中安装的IIoT网络。挑战变得更加突出。传统网络可能并不理想，但是新的IIoT系统必须与任何已安装的干扰RF信号基础共存。开发人员在受限的上下文中继承了硬件，嵌入式软件和先前的设计决策。因此，开发过程变得很艰巨，需要进行仔细的分析，设计和测试。6
8、网络拓扑
IEEE 802.15.4协议提供了两种设备类别。全功能设备（FFD）可以在任何拓扑中用于作为PAN协调器与任何其他设备通信。精简功能设备（RFD）仅限于星形拓扑，因为它不能成为网络协调器。它仅与IEEE 802.15.4的简单实现中的网络协调器对话。根据应用的不同，存在几种网络模型：对等网络，星形网络，网状网络和多跳网络。
图4.网络模型：对等，星形，网状和多跳拓扑。
对等网络将两个节点轻松链接在一起，但没有利用任何智能来延长网络范围。这样可以快速安装，但是如果一个节点无法运行，则不会提供冗余。
星型模型使用FFD作为主机与多个RFD进行通信，因此将其总径向范围扩展到两个节点的传输距离。但是，每个RFD仍然只能与路由器通信。只要不是FFD，它就可以容纳单点故障。
网状网络允许任何节点进行通信或通过任何其他节点进行跳跃。这提供了冗余的通信路径，以增强网络的强度。智能网状网络可以通过最少的跳数路由通信，以减少功耗和延迟。临时自组织拓扑通过允许节点到达或离开网络环境来适应环境变化。
9、可靠性
IIoT客户将可靠性和安全性放在订单获胜者列表的顶部。组织通常依赖大型复杂集群来进行数据分析，这些分析可能会充满瓶颈，包括数据传输，索引和提取以及转换和加载过程。每个边缘节点的有效通信对于防止下游集群内的瓶颈至关重要。5
对于有效的RF波传播，工业环境通常可能很苛刻。大型，形状不规则，致密的金属工厂设备，混凝土，隔板和金属架都可以产生多径波传播。之后，波从各个方向离开发射天线，“多径”描述了波在到达接收器之前如何通过其环境传播进行修改。在接收器处看到的入射波可分为三种类型：反射型，衍射型和散射型。多径波会经历幅度和相位的变化，从而导致合成波在目标接收器处出现相长或相消干扰。
10、CSMA-CA频道访问
具有避免冲突的载波侦听多路访问（CSMA / CA）是一种数据链路层协议，其中网络节点使用载波侦听。节点仅在检测到信道空闲时才尝试通过传输其整个数据包数据来避免冲突。无线网络中的隐藏节点不在其他节点集合的范围内。图5显示了一个示例，其中范围最远端的节点可以看到访问点“ Y”，但看不到范围另一端的节点X或Z.7。
图5.隐藏的节点X和Z无法直接通信。
使用RTS / CTS的握手实现了虚拟载波侦听，并带有简短的发送和清除WLAN消息的请求。尽管802.11主要依赖于物理载波侦听，但IEEE 802.15.4使用CSMA / CA。为了克服隐藏节点的问题，RTS / CTS握手与CSMA / CA一起实现。如果允许，增加隐藏节点的传输功率可以延长其观察距离。
11、协议
为了提高带宽，高级调制方案可调制相位，幅度或频率。正交相移键（QPSK）是一种调制方案，它使用四个相位对每个符号编码两位。正交调制使用混合架构，该架构提供相移以减少信号带宽要求。二进制数据被细分为两个连续的位，并在ωc载波sinωct和cosωct的正交相位上进行调制。
图6.偏移QPSK调制器架构。
在2.4 GHz ISM频段中运行的IEEE 802.15.4收发器采用QPSK的物理层变体，称为偏移QPSK，O-QPSK或交错QPSK。将单个数据位（Tbit）偏移时间常数引入到位流中。这会将数据在时间上偏移符号周期的一半，从而避免了节点X和Y处的波形同时发生跃迁。连续的相位步长不得超过±90°。一个缺点是O-QPSK不允许差分编码。但是，它确实消除了相干检测的艰巨技术任务。
IEEE 802.15.4中使用的调制降低了传输和接收数据的符号率。O-QPSK通过同时传输两个编码位，需要1/4符号速率与位速率的比较。这允许使用62.5 ksymbols /秒的250 kbps数据速率。
12、可扩展性
并非所有的物联网节点都需要外部IP地址。对于专用通信，传感器节点应具有唯一IP地址的容量。尽管IPv4支持32位寻址，但很显然，数十年前，仅针对43亿个设备进行寻址并不能支持Internet的增长。IPv6将地址大小增加到128位，以支持240个十亿个全球唯一地址（GUA）设备。
来自两个不同的IPv6域和IEEE802.15.4网络的数据映射和地址管理提出了设计挑战。6LoWPAN定义了封装和报头压缩机制，这些机制允许IPv6数据包在基于IEEE 802.15.4的网络上发送和接收。Thread是基于封闭文档的免税协议的标准示例，该协议在6LoWPAN上运行以实现自动化。
ADI公司为ADuCx系列微控制器和Blackfin系列DSP提供了多种无线收发器以及有线协议。低功耗ADRF7242使用50 kbps至2000 kbps的全局ISM频段，支持具有可编程数据速率和调制方案的IEEE 802.15.4。它符合FCC和ETSI标准。该ADRF7023在1 kbps至300 kbps的433 MHz，868 MHz和915 MHz的全球免许可证ISM频段中运行。ADI公司提供了完整的WSN开发平台来设计定制解决方案。RapID平台是用于嵌入工业网络协议的一系列模块和开发套件。SmartMesh?无线传感器是带有网状网络软件的芯片和预先认证的PCB模块，使传感器能够在恶劣的工业IoT环境中进行通信。
图7.具有I / Q O-QPSK选项（右）的±90°相变（左）。
原文作者：Ian Beavers
参考文献
1 Brijesh Kumar。“物联网（IoT）的连接选项。”IoT Daily，2015年3月。
2克里斯·唐尼（Chris Downey）。“了解无线范围计算。”电子设计，2013年4月。
3 Bob Karschnia。“工业物联网（IIoT）的好处。”控制工程，2015年6月。
4乔伊·魏斯和罗斯·于。“用于工业物联网的无线传感器网络。”电子设计，2015年。
5 Ross Yu。“SmartMesh IP无线网状网络扩展以解决工业物联网网络。”传感器在线，2017年1月。
6 Sanjay Manney。“工业物联网需要严格的要求。”EETimes，2014年。
7 Rana Basheer。“高密度无线传感器网络：工业物联网的未来。”LinkedIn.com，2016年7月。