无线网络技术在工业物联网中的应用

无线网络技术在工业物联网中的应用

赵东

深圳华龙讯达信息技术股份有限公司 广东省深圳市518026

摘要：工业物联网将具有感知和控制能力的各种传感器融入到工业生产中，可以显著提高产品的质量，对于生产效率而言具有较好提升。以“to B”的角度看工业物联网的无线网络化趋势，根据工业物联网中的七种无线主流技术讨论无线网络技术在工业物联网中的应用，对比六种技术的优势与缺点，并讨论关于无线网络技术在工业物联网中的发展前景。

关键词：无线网络；工业物联网；ZigBee技术；智能化

在物联网行业，无线通信受到了广泛关注，迄今为止，在物联网的讨论集中在云网络和服务器之间的通信，人机交互现在已经成为了时代发展的潮流，工业物联网也因此得到了人们的关注，工业物联网作为现代网络的升级，在楼宇装配自动化、照明、运输、智能卡、电网等工业中得到了广泛应用。对于大型生产场景，无线网络技术是必不可少的需求。对于大多数的工业生产而言，无线通信产品的需求是生产的主要推动力。工业物联网中所使用的无线网络技术融合了嵌入式、传感器、无线通信、分布式等多种技术，具有自组织能力与实时感知的特点，对于这一特性，工业物联网衍生出了异构互联、低耗自组的特性。因此，用物联网改变传统产业，是提升传统产业经济和推动我国经济发展的必然转变。

1. 工业物联网无线化趋势
   1. 工业革命的发展

以计算机与半导体为核心的新一轮的工业革命，以“场景”将其划分为中心计算、个人计算、移动计算、云计算、边缘计算等五大模块，整个发展趋势由数据化逐渐走向了智能化，最终形成了“人与人”、“物与物”的爆发式发展，无处不在的连接形成了工业物联网。

1.2工业物联网无线化趋势

从“to B”的角度分析，新一轮的工业革命中的第一次发展打开了工业物联网的第一步“数据化”，而后发展为“数据化”，新工业革命下“有线网络化”初显，需要关注的重点问题是“无线网络化”到“智能化”的发展。解决无线到智能，即可实现万物互联。

2. 工业物联网中常用的无线网络技术

在工业物联网中，不同的无线网络技术在传输距离、接收距离和传输频率等方面各有不同，因此可选择的无线网络技术也更多。最常见的几种无线技术有ZigBee技术、LoRa技术、蓝牙技术、NB-lo T技术、SigFox技术、WIFI Halow技术以及5G技术。当前，我国在工业物联网方面的规模投入较大，在整体物联网行业中占比较高。工业物联网的技术核心是实现物与物之间的联系，实现对事物状态的感知和控制。而无线网络技术则是实现物与物连接的最基本技术，随着无线网络覆盖区域的扩大，采用无线网络覆盖广、带宽高的技术进行工业物联网系统的组建，可以让工业的生产效率变得更高。无线网络技术在物联网这个大背景下，可以应用于各种监测场景中，随着无线网络技术的不断发展，对工业物联网的安全维护与升级十分重要。无线网络技术中，利用最新的加密算法与数据算法增加数据的安全级别，可以让信息在极端的环境下保证数据的准确传输。

2.1ZigBee技术

ZigBee提出后是为了弥补蓝牙通信存在的功耗打、距离近、组网规模小等缺陷。ZigBee工作在三个频段，如表1所示。

表1 ZigBee技术的工作频段

ZigBee技术可以实现短距离的无线通信，具有“三低”功能，低成本、低功耗和低功率，让ZigBee成为了专门为低速率传感器而设计的无线网络规范。ZigBee工作结构如图1所示。

图1  ZigBee工作结构

ZigBee技术的传输速率较低，因此可以起到很好的节约电能的目的。因为ZigBee的发射功率仅有1mW，因此设备运行非常省电。ZigBee技术的最长待机时间可以高达2年之久，与其他无线设备相比具有较强优势。在成本方面远远低于其他无线设备，总体成本较低，得到了用户的广泛喜爱。ZigBee的大小在4~32kb的范围内，远远低于WIFI和蓝牙；通信延时的休眠激活仅为15ms，设备信道接入也仅为15ms，因此ZigBee在苛刻的工业控制场合中比较适用；容量大，容纳的设备较多，在同一个区域中可以同时容纳上百个网络，而且还可以通过碰撞避免策略，为宽带的通信留有一定空间，很好的解决了数据之间存在的网络冲突问题。采用数据传输模式让每一个数据包都可以获取准确的信息；利用循环冗余校验检查数据包的完整性，利用AES-128加密算法保证应用的安全。

缺点是抗干扰性较差，通信距离短导致没有开源。

2.2蓝牙技术

蓝牙技术用于两个设备之间的无线短距离通信，实现固定设备短距离的数据交换，广泛应用于移动终端以及无线外围设备中。蓝牙利用跳频技术，频段为2.402GHz~2.480GHz，通信半径逐渐延伸至百米。蓝牙5.0具有更快的传输速率，更远的传输距离，速率上限为2Mbps，传输距离上限为300m。更多的导航功能可以为室内或类似的定位设备使用，与WIFI相结合，实现准确的室内定位。更多的数据传输功能，可以创建更加复杂的连接系统。功耗的降低为人们解决了待机问题。蓝牙技术最大的优势在于不依赖于外部网络即可达到高速率低功耗的数据传输，具有极高的安全性，只要有终端设备就可以保持稳定的连接。

缺点就是无法连接到云端，组网能力较差，网络节点少不适用于多点布控。

2.3LoRa技术

LoRa技术可以实现超远的距离传输，功耗较低，可以为用户提供远距离无线服务。超长待机、超大容量的简单系统，当前，LoRa技术可以在全球进行免费的频段运行，工作频率在不同的地域有所不同，范围最常可以达到15km，当然具体传输距离还要以所处位置和天线的特性决定。LoRa技术的低功耗优势，大大延迟了电池的使用寿命，在建筑密集的城市环境中，覆盖距离在2km左右，郊区可以达到10km以上。LoRa在距离测量方面采用基于信号的空中传输时间进行定位，采用多对一的方式进行时间差的测量，精度可以达到5m。因此，LoRa技术非常适用于智能停车、车辆追踪、智慧城市建设等物联网的应用中。

缺点是传输的速度较慢，通信频段容易受到干扰。

2.4NB-lo T技术

NB-lo T窄带物联网使用包含12个15kHz LTE子载波的180kHz宽的资源块，传输速率在100kb/s~1Mb/s之间。采用特殊的独立载波方式，可以实现与现有的网络共同工作。NB-lo T作为一种低速率技术，具有低功耗的特点，NB-lo T采用简化的协议，提升终端的待机时长，与LoRa相比，NB-lo T技术在实际的使用时不需要通过建网完成服务，而且射频与天线可以反复应用，低速率的特点为NB-lo T芯片带来了更低的成本，在同一基站下，NB-lo T技术与其他无线技术相比接入倍数更多，可以支持超低的设备与低功耗设备。NB-lo T超强的室内覆盖能力，在相同的频段下，NB-lo T可以比现有的无线网络增益20dB。特点如图2所示[8]。

图2  NB-lo T技术的特点

缺点是传输速率低，隐私和安全性较差，IT系统的转换时间较久，均限制了NB-lo T技术的发展。

2.5SigFox技术

SigFox技术以超窄带技术为主，不仅仅是一种无线技术，更是一种网络服务。SigFox的工作频段在868MHz和902MHz之间，利用超窄带调制技术，以地数据速率进行信息传递，消息最长字段为12个字节，最多可以传送的信息为140条。因其具备窄带宽和短消息的特点，因此除了可以进行链路预算外，还可以进行长距离的传输，对于仅仅需要发送较小的数据突发情况时，SigFox技术无疑是最佳的选择。

缺点是数据发送到传感器或者设备中时下行链路的能力会受到限制。

2.6HaLow技术

HaLow是工业物联网中所应用的新版WIFI，通过HaLow可以让WIFI应用到更多设备中，更加适用于工业设施中的部署。HaLow工作的频段为900MHz，适用于小数据负荷的低功耗设备。大多数情况下，WiFi设备在最佳的状态下可以达到100m的传输范围，但是HaLow在实际的使用中，可以达到1km，相比之下，信号更强，不容易受到干扰，具有更强的穿墙能力。

缺点是HaLow不适用于快速的数据传输，更不适用于网页的浏览，且由于900MHz是未经授权的频段，信号容易受到干扰。

2.7 5G技术

    第五代移动通信技术作为新一代的宽带移动通信技术，具有高速率、低时延和大连接的特点，更是人们实现人机交互的重要设施，经过四代的发展，每一次技术都是一次值得飞跃，极大的促进了产业的升级，5G作为一种新型的移动通信网络，不仅可以解决人与人之间的通信，还可以为用户提供更多的业务体现，在工业控制中得到了广泛应用。

3. 无线网络技术在工业物联网中发展前景

3.1 技术对比

大型生产会涉及到大量的设备、工人、应用系统，稳定且高速的无线网络是最基本的需求。在工业物联网中，无线网络技术分为短距离通信技术如ZigBee、WIFI、蓝牙等；低功耗广域网通信技术，广域网通信技术有分为工作于未授权频频与工作于授权频谱两种，不同的无线技术在组网、通讯、安全等各方面存在一定差异，使用场合有有所不同。几种无线网络技术的功能对比，如表2所示。

表2 无线网络技术功能对比

3.2 发展前景

    在无线网络技术中，LoRa技术与HaLow技术遥遥领先于其他几类技术，HaLow更多应用在公共网络中，LoRa更多应用在私有网络中。Halow自身的信号范围覆盖可以将整个车间覆盖完毕，可以与WIFI 路由器的数据传输距离相媲美。LoRa技术则是融合了WIFI技术与蓝牙技术的所有优势，在工业物联网的背景下，作为可以影响未来工业发展的重要无线网络技术，在工业物联网中，仅仅使用单一的网络技术是无法满足和解决客户的所有需求，客户的需求非常广泛，尽管不同的无线网络之间存在相互竞争的关系，但是又可以互相补充。无线网络技术在工业物联网中得到应用，主要是因为自身的灵活性较高，没有电缆的约束，可以进行任意架设和调整。有线网络大多数的故障都是由于连接器或者连接线的问题，无线网络技术则排除了这种可能性，具有一定的持久性。对于工业物联网而言，设备智能化，可以让工作人员更好的进行工作，很多物联网的成功应用取决于无线传感器是否可以在危险区域部署，且续航时间长达3年以上。因此，工业物联网要想在我国得到可持续发展，需要有强大的技术支持。

结束语：

无线网络技术与计算机通信技术相比，通过物联网让物与物实现了交互。在工业物联网的背景下，云计算、射频识别等技术都可以为网络通信提供强大助力。利用ZigBee技术、LoRa技术以及Halow技术，让工业的生产效率可以得到较大提升。利用无线网络技术，推动智能家居、智能医疗的发展，让人们的生活可以更加的智能化。

【作者简介】赵东（1974），男（汉族），籍贯（河南省开封市），本科，助理工程师，从事的研究方向或工作领域：工业互联网  物联网  数字孪生。

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