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在为工业物联网(IIoT)开发产品和系统时,电子工程师和应用程序开发人员需要权衡不断扩展的连接选项的优缺点。

智慧工厂并不是什么新鲜事物。自从PLC取代了硬接线继电器组以来,工程师一直在监督工业过程的智能自动化。随着时间的流逝,制造环境中已经采用了许多有线网络协议,例如Modbus、Profibus、EtherNET / IP、Interbus和ControlNet等,作为执行标准工业通信的一种手段,主要用于机器和过程控制。

但是,如今,工业物联网(IIoT)的出现为智能工厂开辟了无尽的新可能性,数据的收集和传输呈指数增长。为了加快部署过程并节省可观的安装成本,许多应用程序现在都在使用无线联网方法,而不是扩展有线网络的覆盖范围。从通过边缘或云的工厂和设备到企业级,管理数据流需要对无线通信有一个全新的了解,需要考虑各种基于应用程序的权衡。其中包括范围、功率、数据速率、延迟、弹性和操作条件等等。在这里,我们提供了最重要的IIoT通信协议的细目分类,可以帮助您充分利用Industry 4.0的优势。

蓝牙 Mesh

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蓝牙可能是最著名的短距离通信技术,它已在基于消费者IoT的应用程序(例如设备到设备文件传输以及无线扬声器和耳机)中变得非常流行。但是,作为IEEE 802.15标准的蓝牙也已成为智能工业环境中的重要角色,自2017年以来,随着推出Bluetooth Mesh(低功耗蓝牙上可用的网络拓扑,可以创建大型的扩展多对多设备通信)。网状网络的重要优势之一是网络中的所有设备都可以相互通信,而不必通过中央集线器的限制,使其特别适用于工业环境中成千上万个需要彼此安全通信的设备的控制、监视和自动化。

优点:蓝牙网状拓扑结构意味着网络的大小和区域实际上是无限的,因此非常适合连接广泛的传感器网络。通过Bluetooth SIG发起的互操作性也很重要,并且可以与多种现有蓝牙设备向后兼容。

缺点:在某些应用中,相对较短的距离和较低的数据传输速率是一个障碍。蓝牙网格更适合于近距离本地网络。 

蜂窝通信

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任何需要更长距离操作的IIoT应用程序都可以利用GSM/3G/4G蜂窝通信功能,这是一种行之有效的发送相对大量数据的手段。对于基于传感器的低带宽数据项目(将通过Internet发送非常少量的数据),它也是理想的选择。基于蜂窝基础设施的窄带物联网(NBIoT)也是低数据速率的替代蜂窝协议。尽管最新的第五代移动技术(5G)的大部分注意力都集中在改善移动服务上,但IIoT用例也在不断涌现。5G具有超高速、低延迟和大容量数据传输功能,可以显著改善工业环境,推动关键领域的进步,例如流程优化和支持更高水平的自动化。该协议特别适用于任何需要超可靠、低延迟通信的IIoT应用,其理论峰值速度为20 Gbps,可支持关键任务应用,例如工业机器人、图像处理或精确的室内定位。其他用例是所谓的大规模物联网(mIoT)的部署,其中5G可以部署到服务网络,该服务网络甚至包括位于最偏远地区的数十亿个低成本、远程、超节能连接设备,并且仅需要很少的通信。

优点:超高速、低延迟和大容量数据功能,能够满足所有关键任务IIoT通信需求。

缺点:对于许多应用而言,费用和功耗可能过高。在支持5G的智能工厂上建立投资回报率需要时间。

约束应用协议(COAP)

 

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约束应用协议(CoAP)是一种专门的Web传输协议,专门为与机器对机器应用程序中的受约束节点和受约束网络一起使用而开发。它的主要优势是即使在低带宽和低可用性成为限制因素的情况下,也可以使简单的设备加入互联网。由Internet工程任务组开发的CoAP RFC-7252已被设计为支持相对大量的廉价节点,并且已设计为可在RAM最低为10 KiB,代码空间为100 KiB的微控制器上工作。从根本上讲,CoAP的体系结构旨在减少网络带宽的过载,节省电池电量和存储空间,并减少CPU操作的数据量。

优点:与HTTP类似的简单协议,在受限环境中具有较低的开销和较低的带宽要求

缺点:它于2014年推出,但仍是一个新兴标准。消息不可靠和安全性被认为是缺点。

LoRaWAN

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LoRaWAN是一种低功耗广域网协议,支持IIoT网络中的低成本移动安全双向通信。它的网络架构在850-950 MHz未经许可的工业、科学和医学(ISM)无线频谱上运行,通常以星型拓扑结构部署,网关在终端设备和中央网络服务器之间发送消息。网关通过标准IP连接链接到网络服务器,充当网桥并将RF数据包转换为IP数据包,反之亦然。无线通信针对可靠的远程操作进行了优化,可以在终端设备与一个或多个网关之间建立单跳链接,并且所有模式都可以进行双向通信。LoRaWAN可以支持可能包含数百万个设备的大型网络,数据速率范围从0.3 kbps到50 kbps。它的扩展范围意味着LoRaWAN在恶劣的工业环境中得到越来越多的应用,在这种环境中,噪声可能会对通信产生不利影响。LoRaWAN的低功耗特性意味着它已被证明是电池供电IIoT设备的普遍网络解决方案,因为它能够支持长达十年的电池寿命。

优点:可扩展的解决方案,提供低功耗、覆盖范围广、易于部署的体系结构。

缺点:仅适用于数据速率较低的应用。不适合具有低延迟要求的实时应用程序。

开放线程 

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由Google支持的OpenThread是Thread的开源实现,Thread是基于IPv6的网络协议,专门为无线个人区域网状网络中的低功耗设备而设计。由于它们均基于IEEE 802.15.4-2006标准,因此有时称为Google的Zigbee版本。OpenThread的推出使Google Nest产品中使用的网络技术可供更广泛的开发人员使用,主要是作为扩展和多样化互联家庭和商业建筑产品类型的一种手段。但是,该协议也可以在工业环境中找到应用,特别是作为通过多个无线连接链接资源受限节点(例如嵌入式传感器和执行器)的手段。

优点:安装简单且安全,而自我修复的网状网络则意味着没有单点故障。高效,低功耗设备能够长时间休眠并依靠电池供电。

缺点:相对较新的网络协议更多地与家庭自动化环境相关联,因此在工业环境中的应用受到更多限制。

 

Sigfox

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Sigfox使用ISM频段在非常窄的频谱之间与连接的对象之间传输数据,从而支持使用小型电池运行且仅要求少量数据传输的机器对机器应用程序。该协议使用名为超窄带的技术,该技术是专门为处理低数据传输速度而设计的。它的功耗仅为50毫瓦,而蜂窝通信的功耗为5000毫瓦,或者使用2.5Ah电池可提供20年的典型待机时间,而蜂窝通信仅为0.2年。Sigfox网络强大、省电且可扩展的特性使其适用于在大范围内运行由电池供电的设备的各种应用。尽管Sigfox网络不针对任何特定行业,但实际上可用于需要低吞吐量连接解决方案的任何环境。低吞吐量的定义是每个对象每天最多140条消息,每条消息的有效负载大小为12字节,无线吞吐量最高为每秒100位。典型的IIoT应用包括制造业中基于云的资产跟踪以及公用事业部门中的资源管理。

优点:低成本连接,能耗低。易于集成和部署,无需复杂的基础架构。

缺点:不适合高数据速率通信。

 

Zigbee

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Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准的局域网协议,它为工业设置中的大量已安装操作基础奠定了基础。它是在2.4GHz上运行的协议,最适合要求在有限区域内和100米范围内以低数据速率进行相对不频繁的数据交换的应用。Zigbee基于网状拓扑,可以支持网络中的数千个节点,从而促进了传感器和可以一起通信的设备之间的高效数据传输。Zigbee的可扩展性使其针对工厂环境中的IIoT应用进行了高度优化。

优点:在复杂的工业系统中提供了一些显着的优势,这些工业系统具有低功耗操作、高安全性、鲁棒性和高可扩展性以及高节点数。

缺点:最小的范围和较低的数据速率将Zigbee限制在本地网络中。最大数据速率为250 kbps,使其性能不如WiFi等其他协议。

结论–选择正确的协议

因此,很明显,在为IIoT选择通信协议时,设计工程师和应用程序开发人员有多种选择。除此之外,还有许多其他选项,例如Z-Wave、6LoWPAN、WiFi和Neul。在每种情况下,诸如范围、功率预算和所需数据速率之类的因素以及链路等待时间和鲁棒性将是选择过程中的关键决定因素。另外,需要注意的是,协议通常用于不同的目的–工程师可能希望使用Bluetooth Mesh将数百个传感器链接回数据聚合器/网关,然后再使用WiFi与站点接入点进行通信并接入到云。它旨在充分利用可用的广泛技术(通常以无缝组合的方式),以实现手头任务的最佳结果。

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