大(dà)型生産場(chǎng)景中涉及大(dà)量的(de)設備、生産應用(yòng)系統、工人(rén)和(hé)産品，穩定、高(gāo)速、易管理(lǐ)的(de)無線網絡是必不可(kě)少的(de)需求，今天來(lái)聊一聊其中的(de)無線通(tōng)訊技術。工業物(wù)聯網的(de)無線通(tōng)信技術主要分(fēn)爲兩類：一類是ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通(tōng)信技術;另一類是LPWAN(low-power Wide-Area Network)，即低功耗廣域網通(tōng)信技術。LPWAN又分(fēn)爲兩類：一類是工作于未授權頻(pín)譜的(de)LoRa、SigFox等技術;另一類是工作于授權頻(pín)譜下(xià)，3GPP支持的(de)2/3/4G蜂窩通(tōng)信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。不同的(de)無線技術在組網、功耗、通(tōng)訊距離、安全性等方面各有差别，因此擁有不同的(de)适用(yòng)場(chǎng)景。例如，Sub-1GHz技術适用(yòng)于傳輸距離遠(yuǎn)、電池供電、須具備強健性的(de)應用(yòng)環境;藍牙适合高(gāo)速、傳輸更多(duō)信息、通(tōng)過手機控制的(de)狀況;Thread、Wi-Fi等技術也(yě)有各自的(de)優勢與适用(yòng)情境。
工業4.0應用(yòng)場(chǎng)景中的(de)無線連接值得(de)注意的(de)是，新的(de)無線技術标準也(yě)在不斷湧現。例如，作爲傳統WiFi技術的(de)擴展和(hé)補充，Wi-Fi HaLow可(kě)提供獨特的(de)安全、遠(yuǎn)距離、低功耗和(hé)高(gāo)度優化(huà)的(de)無線連接組合，極大(dà)地提升了(le)工廠自動化(huà)的(de)管理(lǐ)效率。工業物(wù)聯網中不同無線技術的(de)性能比較
工業物(wù)聯網中不同無線技術的(de)傳輸速率與距離工業物(wù)聯網中不同無線技術的(de)接收效率和(hé)距離下(xià)面分(fēn)别列出了(le)工業物(wù)聯網中最常見的(de)幾種無線技術：ZigBee、藍牙、Lora、NB-IoT、Sigfox，以及最新的(de)WiFi Halow技術。ZigBee被正式提出來(lái)是在2003年，它的(de)出現是爲了(le)彌補藍牙通(tōng)信協議(yì)的(de)高(gāo)複雜(zá)、功耗大(dà)、距離近、組網規模太小等缺陷。名稱取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飛(fēi)翔和(hé)“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的(de)“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在的(de)方位信息，依靠這(zhè)樣的(de)方式構成了(le)群體中的(de)通(tōng)信網絡。ZigBee可(kě)工作在三個(gè)頻(pín)段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和(hé)2.4GHz~2.4835GHz，其中最後一個(gè)頻(pín)段世界範圍内通(tōng)用(yòng)，16個(gè)信道，爲免付費、免申請的(de)無線電頻(pín)段。三個(gè)頻(pín)段傳輸速率分(fēn)别爲20kbps、40kbps以及250kbps。ZigBee是低成本、低功耗、低功率的(de)短距離無線通(tōng)信标準，是專爲低速率傳感器和(hé)控制網絡而設計的(de)無線網絡規範，具有如下(xià)特點：低功耗：由于ZigBee的(de)傳輸速率低，發射功率僅爲1mW，而且采用(yòng)了(le)休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算(suàn)，ZigBee設備僅靠兩節5号電池就可(kě)以維持長(cháng)達6個(gè)月(yuè)到2年左右的(de)使用(yòng)時(shí)間，其他(tā)無線設備望塵莫及。成本低：ZigBee模塊的(de)初始成本在6美(měi)元左右，估計很快(kuài)就能降到1.5~2.5美(měi)元, 并且ZigBee協議(yì)免專利費。複雜(zá)性低：ZigBee協議(yì)的(de)大(dà)小一般在4~32KB，而藍牙和(hé)WiFi一般都超過100KB。時(shí)延短：通(tōng)信時(shí)延和(hé)從休眠狀态激活的(de)時(shí)延非常短，典型的(de)搜索設備時(shí)延爲30ms，休眠激活的(de)時(shí)延是15ms, 活動設備信道接入的(de)時(shí)延爲15ms。因此ZigBee技術适用(yòng)于對(duì)時(shí)延要求苛刻的(de)無線控制(如工業控制場(chǎng)合等)應用(yòng)。網絡容量大(dà)：一個(gè)星型結構的(de)ZigBee網絡最多(duō)可(kě)以容納254個(gè)從設備和(hé)一個(gè)主設備， 一個(gè)區(qū)域内最多(duō)可(kě)以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網絡, 一個(gè)網絡中最多(duō)可(kě)以有65000個(gè)節點連接，網絡組成靈活。可(kě)靠：采取了(le)碰撞避免策略，爲需要固定帶寬的(de)通(tōng)信業務預留了(le)專用(yòng)時(shí)隙，避開了(le)發送數據的(de)競争和(hé)沖突。MAC層采用(yòng)完全确認的(de)數據傳輸模式， 每個(gè)發送的(de)數據包都必須等待接收方的(de)确認信息。如果傳輸過程中出現問題可(kě)以進行重發。安全：ZigBee提供了(le)基于循環冗餘校驗(CRC)的(de)數據包完整性檢查功能，支持鑒權和(hé)認證，采用(yòng)AES-128的(de)加密算(suàn)法，各個(gè)應用(yòng)可(kě)以靈活确定其安全屬性。ZigBee雖然具有低功耗、低成本，低速率、高(gāo)容量、長(cháng)電池壽命等優點，但也(yě)有缺點，即抗幹擾性差，通(tōng)信距離短，而且ZigBee協議(yì)沒有開源。藍牙技術最早始于1994，由電信巨頭愛(ài)立信公司研發，是在兩個(gè)設備間進行無線短距離通(tōng)信的(de)最簡單、最便捷的(de)方法，可(kě)實現固定設備、移動設備和(hé)樓宇個(gè)人(rén)域網之間的(de)短距離數據交換。藍牙技術被廣泛地用(yòng)于手機、PDA等移動設備，PC、GPS設備，以及大(dà)量的(de)無線外圍設備(藍牙耳機、藍牙鍵盤等)。藍牙采用(yòng)跳頻(pín)技術，通(tōng)信頻(pín)段爲2.402GHz~2.480GHz。截止目前爲止已經更新了(le)10個(gè)版本，分(fēn)别爲藍牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0，通(tōng)信半徑從幾米到幾百米延伸。相比之前的(de)藍牙4.2甚至更老的(de)版本，藍牙5.0有如下(xià)特點：更快(kuài)的(de)傳輸速度：速度上限爲2Mbps，是之前4.2LE版本的(de)2倍。更遠(yuǎn)的(de)有效距離：有效距離是上一版本的(de)4倍。理(lǐ)論上，藍牙發射和(hé)接收設備之間的(de)有效工作距離可(kě)達300米。導航功能：添加了(le)更多(duō)的(de)導航功能，可(kě)以作爲室内導航信标或類似定位設備使用(yòng)，結合WiFi可(kě)以實現精度小于1米的(de)室内定位。更多(duō)的(de)傳輸功能：增加了(le)更多(duō)的(de)數據傳輸功能，硬件廠商可(kě)以通(tōng)過藍牙5.0創建更複雜(zá)的(de)連接系統，比如Beacon或位置服務。更低的(de)功耗：大(dà)大(dà)降低了(le)功耗，人(rén)們在使用(yòng)藍牙的(de)過程中再也(yě)不必擔心待機時(shí)間的(de)問題。藍牙技術的(de)最大(dà)的(de)優點是不依賴于外部網絡、速率快(kuài)、低功耗，安全性高(gāo)。隻要有手機和(hé)智能設備，就能保持穩定的(de)連接，走到哪連到哪。其缺點是不能直接連接雲端，傳輸速度比較慢(màn)，組網能力比較弱，而且網絡節點少，不适合多(duō)點布控。LoRa是美(měi)國Semtech公司開發和(hé)推廣的(de)一種基于擴頻(pín)技術的(de)超遠(yuǎn)距離、低功耗無線傳輸方案，爲用(yòng)戶提供了(le)一種能實現遠(yuǎn)距離、長(cháng)電池壽命、大(dà)容量的(de)簡單系統，進而擴展傳感網絡。目前LoRa 主要在全球免費頻(pín)段運行，工作頻(pín)率在美(měi)國是915MHz，在歐洲是868MHz，在亞洲是433MHz。其典型範圍是2km至5km，最長(cháng)距離可(kě)達15km，具體取決于所處的(de)位置和(hé)天線特性。低功耗：通(tōng)信距離可(kě)達15公裏，接受電流僅10mA，睡(shuì)眠電流200nA，延長(cháng)了(le)電池的(de)使用(yòng)壽命。大(dà)容量：在建築密集的(de)城(chéng)市環境可(kě)以覆蓋2公裏左右，而在密度較低的(de)郊區(qū)覆蓋範圍可(kě)達10公裏。支持測距和(hé)定位：LoRa對(duì)距離的(de)測量是基于信号的(de)空中傳輸時(shí)間，定位則基于多(duō)點(網關)對(duì)一點(節點)空間傳輸時(shí)間差的(de)測量，定位精度可(kě)達5m(假設10km的(de)範圍)。因此，LoRa技術非常适于要求低功耗、遠(yuǎn)距離、大(dà)量連接以及定位跟蹤等的(de)物(wù)聯網應用(yòng)，如能停車、車輛追蹤、智慧工業、智慧城(chéng)市、智慧社區(qū)等。LoRa的(de)缺點是傳輸速率慢(màn)，通(tōng)信頻(pín)段易受幹擾，芯片供應被Semtech壟斷，從底層開發周期較長(cháng)，以及自組網的(de)網絡機制較爲複雜(zá)，因此一般公司不願研究LoRa技術，更願意買模塊直接用(yòng)。NB-IoT(窄帶物(wù)聯網)技術起源于一家英國新創公司Neul(2014年被華爲收購(gòu))，聚焦于低功耗廣覆蓋物(wù)聯網(IoT)市場(chǎng)。與使用(yòng)标準LTE的(de)全部10MHz或20MHz帶寬不同，NB-IoT使用(yòng)包含12個(gè)15kHz LTE子載波的(de)180kHz寬的(de)資源塊，數據速率在100kb/s到1Mb/s範圍之内。NB-IoT使用(yòng)授權頻(pín)段，可(kě)采取帶内、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存。作爲一項應用(yòng)于低速率業務的(de)技術，NB-IoT的(de)優勢主要有：低功耗：NB-IoT犧牲了(le)速率，卻換回了(le)更低的(de)功耗。采用(yòng)簡化(huà)的(de)協議(yì)，更合适的(de)設計，大(dà)幅提升了(le)終端的(de)待機時(shí)間，部分(fēn)NB終端的(de)待機時(shí)間号稱可(kě)以達到10年!低成本：與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網，射頻(pín)和(hé)天線基本上都可(kě)以複用(yòng)。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優勢，模塊價格不超過5美(měi)元。海量連接：在同一基站的(de)情況下(xià)，NB-IoT可(kě)比現有無線技術提供50~100倍的(de)接入數。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的(de)設備成本、低設備功耗和(hé)優化(huà)的(de)網絡架構。廣覆蓋：NB-IoT室内覆蓋能力強，在同樣的(de)頻(pín)段下(xià)，NB-IoT比現有的(de)網絡增益20dB，相當于提升了(le)100倍覆蓋區(qū)域的(de)能力。雖然NB-IoT具有很多(duō)優點，但其低速數據傳輸、隐私和(hé)安全、IT系統的(de)轉換時(shí)間等問題，都将限制其發展。Sigfox源自法國的(de)Sigfox公司以超窄帶(UNB，Ultra Narrow Band)技術建設的(de)無線網絡，既是一種無線技術，也(yě)是一種網絡服務。Sigfox工作在868MHz和(hé)902MHz的(de)ISM頻(pín)段，消耗很窄的(de)帶寬或功耗。Sigfox無線電設備采用(yòng)一種被稱爲超窄帶(UNB)調制的(de)技術，偶爾以低數據速率傳送短消息，消息最長(cháng)是12個(gè)字節，一個(gè)節點每天可(kě)以傳送的(de)消息數量最多(duō)140條。由于是窄帶寬和(hé)短消息，因此除了(le)其162dB的(de)鏈路預算(suàn)外，還(hái)可(kě)以達到數公裏的(de)長(cháng)傳輸距離。對(duì)于僅需發送較小的(de)不頻(pín)繁數據的(de)突發應用(yòng)，Sigfox是絕佳選擇。Sigfox的(de)缺點是數據發送回傳感器/設備(下(xià)行鏈路能力)受到嚴重限制，信号幹擾也(yě)可(kě)能成爲問題。連接不穩，效率不高(gāo)，時(shí)段時(shí)續，這(zhè)些一直是WiFi技術讓人(rén)頭疼的(de)問題。HaLow是适合工業物(wù)聯網應用(yòng)的(de)新版WiFi，代号是802.11ah，它使WiFi可(kě)以應用(yòng)到更多(duō)地方，如小尺寸、電池供電的(de)可(kě)穿戴設備，同時(shí)也(yě)适用(yòng)于工業設施内的(de)部署，以及介于兩者之間的(de)應用(yòng)。HaLow采用(yòng)900MHz頻(pín)段，低于當前WiFi的(de)2.4GHz和(hé)5GHz頻(pín)段，更适合小量數據負荷以及低功耗設備。美(měi)國使用(yòng)902MHz至928MHz的(de)免許可(kě)頻(pín)段， 其它國家使用(yòng)1GHz以下(xià)的(de)類似頻(pín)段。雖然大(dà)多(duō)數WiFi設備在理(lǐ)想條件下(xià)最大(dà)隻能達到100m的(de)覆蓋範圍，但HaLow在使用(yòng)合适天線的(de)情況下(xià)可(kě)以遠(yuǎn)達1km，信号更強，且不容易被幹擾。HaLow号稱傳輸距離是标準2.4GHz WiFi的(de)兩倍，而且穿牆能力更強。HaLow不适于快(kuài)速傳輸數據，也(yě)不适合網頁浏覽(這(zhè)對(duì)物(wù)聯設備影(yǐng)響不大(dà))。另外，900MHz是未經授權的(de)頻(pín)段，容易受到幹擾。據市場(chǎng)研究機構IHS Markit的(de)最新報告，在低功耗廣域網無線技術中，LoRa與NB-IoT可(kě)說是遙遙領先，LTE-M版本的(de)4G蜂窩技術位居第三名，Sigfox緊随其後。IHS Markit預測，NB-IoT與LoRa到2023年可(kě)望占據所有LPWAN鏈路的(de)86%，2023年将會是這(zhè)兩種技術的(de)競争，其中更多(duō)私有網絡将采用(yòng)LoRa，NB-IoT則主要應用(yòng)于公共網絡。值得(de)一提的(de)是，華爲旗下(xià)的(de)海思(HiSilicon)是目前NB-IoT芯片的(de)領導供貨商，其中有九成布署于中國;排名第二的(de)NB-IoT芯片供貨商是台灣的(de)聯發科(Mediatek)，第三大(dà)供貨商則是中國的(de)紫光(guāng)展銳(Unisoc)。而Sigfox主要依靠一家創投公司支持，成爲全球物(wù)聯網運營商并保持技術專有。IHS Markit的(de)調查報告顯示，2017年Sigfox的(de)出貨量還(hái)不到9,000個(gè)模塊，市占率排名第三，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落後于LoRa和(hé)NB-IoT。IHS Markit預測Sigfox的(de)年銷售可(kě)望在2021年時(shí)成長(cháng)10倍，但仍位居LoRa和(hé)NB-IoT之後。與此同時(shí)，藍牙聯盟和(hé)Wi-Fi聯盟都使出了(le)自己的(de)大(dà)招。藍牙 5.0 提升的(de)信号覆蓋範圍号稱能覆蓋整棟公寓，足以媲美(měi)家用(yòng) WiFi 路由器的(de)數據傳輸距離。HaLow則融合了(le)以前WiFi技術與藍牙的(de)優點。在工業物(wù)聯網中，客戶的(de)需求是豐富多(duō)樣的(de)，單一技術無法解決客戶的(de)所有問題。不同的(de)無線技術彼此競争，同時(shí)又互爲補充，因爲工業物(wù)聯網的(de)未來(lái)，沒有一種通(tōng)信技術能夠一統天下(xià)。
