IIoT智能化過(guò)程中繞不開(kāi)的那些邊緣節點(diǎn)通信系統設計要點(diǎn)

　　根據埃森哲的研究報告，全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，簡(jiǎn)稱(chēng)IIoT)市場(chǎng)規模預計在2020年將超過(guò)5,000億美元?；诋斍暗耐度胨?，到2030年預計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為世界經(jīng)濟帶來(lái)的收益至少在10萬(wàn)億美元。同時(shí)，IDC數據統計顯示未來(lái)超過(guò)75%的數據需要在網(wǎng)絡(luò )邊緣側分析、處理與儲存。然而在IIoT的邊緣計算領(lǐng)域，很多基本的重大問(wèn)題仍然懸而未決，或者仍有很大的改進(jìn)空間，包括邊緣側通信系統的連接性、易管理性、可擴展性、可靠性、安全性等。

　　有線(xiàn)通信or無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )?

　　通常而言，IIoT邊緣節點(diǎn)一般必須通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)(WSN)連接到網(wǎng)絡(luò )。在信號鏈的這一部分中，數據完整性仍然十分關(guān)鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，則優(yōu)化檢測和測量數據幾乎沒(méi)有價(jià)值。理想情況下，要在系統架構設計期間預先設計魯棒的通信協(xié)議。

　　在連接的魯棒性至關(guān)重要的情況下(如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET和ModbusTCP)，工業(yè)有線(xiàn)通信發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。遠距離傳感器節點(diǎn)可以用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )向網(wǎng)關(guān)回傳信息，網(wǎng)關(guān)則依賴(lài)有線(xiàn)基礎設施。數量較少的聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)會(huì )一律使用有線(xiàn)通信，因為多數這些設備會(huì )采用無(wú)線(xiàn)連接。借助有效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接策略，可以將傳感器安裝在可以檢測到有價(jià)值信息的任何地方，不僅是現有的通信設施和電源基礎設施所在之處。

　　傳感器節點(diǎn)必須有與網(wǎng)絡(luò )通信的方法。以太網(wǎng)在有線(xiàn)領(lǐng)域占據主導，因為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架把更高層的協(xié)議映射于這類(lèi)連接上。具體的以太網(wǎng)實(shí)施方案的速率范圍為10 Mbps至100 Gbps及以上。高速率通常面向互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)，用于連接云中的服務(wù)器群。

　　對于想要走智能化道路的IIoT來(lái)說(shuō)，在考慮采用哪種通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)時(shí)，解決面臨的以下諸多挑戰成功部署無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )則是一條必經(jīng)之路。

　　范圍、帶寬、功率、安全性與可靠性……一個(gè)也不能少

　　接入網(wǎng)絡(luò )的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備傳輸數據的距離是部署通信系統需要首要考慮的一個(gè)重點(diǎn)。以米為單位的短程個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)可以用于通過(guò)BLE進(jìn)行設備調試的情況，長(cháng)達數百米的局域網(wǎng)(LAN)則可用于安裝在同一棟建筑中的自動(dòng)化傳感器。廣域網(wǎng)(WAN)以千米為單位，其應用包括安裝在大型農場(chǎng)里的農用傳感器。選擇的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議應與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的具體應用案例要求的范圍相匹配。例如，對于工作距離為數十米的室內局域網(wǎng)應用，4G蜂窩網(wǎng)絡(luò )在復雜程度和功率方面就不合適。在要求范圍內傳輸數據有困難時(shí)，邊緣計算不失為一種替代方案。

　　短程無(wú)線(xiàn)鏈接

　　而帶寬限制了可以從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)采集數據的最大速率以及向下游傳輸數據的最大速率，需要考慮每臺設備隨時(shí)間推移產(chǎn)生的數據總量、網(wǎng)關(guān)中部署和聚合的節點(diǎn)數以及以恒定數據流或間歇性突發(fā)方式存在的突發(fā)數據高峰期需要的可用帶寬三大因素。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包的大小最好與傳輸的數據大小相匹配，發(fā)送含有空數據的包會(huì )造成效率下降。

　　如果工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備必須用電池供電，為了省電，可以在其空閑時(shí)使其進(jìn)入睡眠模式。同時(shí)可以在不同的網(wǎng)絡(luò )負載條件下模擬設備的功耗，這樣可以確保設備的電源和電池容量與傳輸必要數據需要的功耗相匹配。

　　網(wǎng)絡(luò )中不同可能節點(diǎn)之間的協(xié)調配合也是個(gè)挑戰。為了維持互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調能力，傳統方法是采用標準有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)協(xié)議。為了跟上新技術(shù)的快速發(fā)展步伐，很難實(shí)現新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)流程的標準化。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統為例，看看符合現有解決方案需要的最佳技術(shù)，如果被廣泛運用，則實(shí)現長(cháng)期協(xié)調配合的概率會(huì )更高。

　　此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )安全性在系統中起著(zhù)三個(gè)重要的作用：機密性、完整性和真實(shí)性。機密性要求網(wǎng)絡(luò )數據只停留在已知框架中，不允許數據被外部設備破壞或截獲;數據完整性要求消息內容與發(fā)射數據完全相同，不改變、減少或增加信息;真實(shí)性則要求從符合預期的獨家來(lái)源接收數據。連接不安全網(wǎng)關(guān)的安全無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)會(huì )造成安全漏洞，有可能遭到破壞。數據時(shí)間戳有助于發(fā)現是否有任何信號被跳過(guò)并被通過(guò)旁道傳輸。時(shí)間戳也可以用于正確重整來(lái)自多個(gè)未同步傳感器的凌亂的關(guān)鍵時(shí)間數據。

　　頻段、通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò )拓撲結構選擇有訣竅

　　物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器可以在蜂窩基礎設施中使用特許執照頻段，但這些設備可能非常耗電。在車(chē)載遠程信息處理這個(gè)應用示例中，需要采集移動(dòng)信息，所以，短程無(wú)線(xiàn)通信并不可行。然

　　而，許多其他低功耗工業(yè)應用通常選擇會(huì )占用ISM頻段中免執照頻譜。IEEE 802.15.4低功耗無(wú)線(xiàn)標準可能是諸多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的理想選擇，該標準的工作頻段為2.4 GHz、915 MHz和868 MHz ISM，總共有27個(gè)通道可以用于射頻通道多次跳躍。

　　藍牙低能耗(BLE)是一種功耗大幅減小的解決方案，它不是文件傳輸的理想選擇，卻更適合小塊數據。其主要優(yōu)勢是與競爭技術(shù)相比，已與移動(dòng)設備廣泛集成，所以更具普遍性。藍牙4.2核心規范采用高斯頻移調制，工作頻段為2.4 GHz ISM，范圍為50米至150米，數據速率為1 Mbps。

　　IEEE 802.15.4 頻段與通道分配

　　通信協(xié)議則是通信系統中用來(lái)格式化數據和控制數據交換的一組規則和標準。開(kāi)放系統互連(OSI)模型將通信分解成不同的功能層，以便更容易地實(shí)現可擴展的互操作型網(wǎng)絡(luò )。OSI模型有七個(gè)層次：物理(PHY)層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、會(huì )話(huà)層、表示層和應用層。

　　OSI與TCP/IP模型

　　IEEE 802.15.4協(xié)議還規定了兩個(gè)設備類(lèi)別，全功能設備(FFD)可以用在任何拓撲結構中，作為PAN協(xié)調器與任何其他設備通信;精簡(jiǎn)功能設備(RFD)僅限于星形拓撲結構，因為它不能成為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。它只能在簡(jiǎn)單的IEEE 802.15.4實(shí)施方案中與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器通信。根據具體應用，有多種網(wǎng)絡(luò )模型：點(diǎn)對點(diǎn)模型、星模型、網(wǎng)模型和多跳模型。

　　網(wǎng)絡(luò )模型：點(diǎn)對點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀和多跳拓撲結構

　　在此趨勢下趨勢，亞德諾半導體(ADI)針對AduCx系列微控制器，以及Blackfin系列DSP提供支持有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的全套無(wú)線(xiàn)模擬收發(fā)器。例如低功耗無(wú)線(xiàn)大功率收發(fā)模塊方案ADRF7242支持IEEE 802.15.4、可編程數據速率和調制方案，采用全球ISM頻段，速率范圍為50 kbps至2000 kbps，符合FCC和ETSI標準的要求。ADRF7023的工作頻段為全球免執照ISM頻段，工作頻率為433 MHz、868 MHz和915 MHz，速率范圍為1 kbps至300 kbps。此外，ADI公司還提供完整的WSN開(kāi)發(fā)平臺，助力定制解決方案的設計。