第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）為機(jī)器賦予了更多的智能，并為自動化設(shè)備帶來了更高的效率和靈活性。這些日益復(fù)雜的系統(tǒng)推動了無線通信在工業(yè)環(huán)境中的采用。工業(yè)4.0智能機(jī)器和模塊自動化的定義包括：

安全和適應(yīng)性強(qiáng)的控制連接

收集和持續(xù)調(diào)整生產(chǎn)過程的價值

機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控，以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)

支持聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析

支持這些功能的無線技術(shù)基于蜂窩，Wi-Fi，藍(lán)牙和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。部分原因是設(shè)計工程師期望來自不同供應(yīng)商的組件具有兼容性。根據(jù)定義，這要求通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口（而非專有接口）進(jìn)行連接。實(shí)際上，互操作性只是工業(yè)4.0的一個方面。

無線連接是協(xié)調(diào)物料搬運(yùn)和協(xié)作機(jī)器人任務(wù)的關(guān)鍵

無線通信的設(shè)備通常比有線網(wǎng)絡(luò)昂貴。但是，這種增加的前期成本可以通過多種方式抵消。從長遠(yuǎn)來看，無線設(shè)備通常被證明是最具成本效益的選擇。那是因?yàn)樵谏a(chǎn)區(qū)域中布線的成本可能很高。需要花費(fèi)精力設(shè)計電纜及其連接器的布線。另外，電纜需要電纜橋架或托架的保護(hù)和物理支持，并且它們需要接線盒和其他附件。計劃，訂購和安裝所有與電纜相關(guān)的硬件會延長實(shí)施網(wǎng)絡(luò)所需的時間。

基于Wi-Fi的自動化標(biāo)準(zhǔn)

電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）在1997年發(fā)布了802.11，定義了局域網(wǎng)（LAN）的無線標(biāo)準(zhǔn)。為確保市場充分利用此標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界協(xié)會Wi-Fi聯(lián)盟隨后緊隨其后，由對建立測試和認(rèn)證計劃的供應(yīng)商組成互操作聯(lián)盟。如今，IEEE 802.11定義的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)已被Wi-Fi聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化所補(bǔ)充，從而使符合要求的設(shè)備具有異?？煽康募嫒菪浴?/span>

圖2：工業(yè)4.0（也稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或IIoT）與無線技術(shù)密不可分。這些無線技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)化接口允許各種設(shè)備和系統(tǒng)之間的連接，包括用作HMI的移動設(shè)備，以及無數(shù)其他傳遞機(jī)器狀態(tài)的無線現(xiàn)場系統(tǒng)。

盡管Wi-Fi對于監(jiān)視應(yīng)用程序以及將機(jī)器連接到企業(yè)級系統(tǒng)非常有用，但是Wi-Fi的速度，延遲和連接穩(wěn)定性問題無法滿足工業(yè)現(xiàn)場機(jī)器控制的苛刻要求。這意味著當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用中的Wi-Fi大多僅限于具有相當(dāng)寬容要求的用途。這些包括：

條形碼掃描器，可將數(shù)據(jù)傳送到制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），從而避免一到兩秒的延遲

不涉及實(shí)時控制功能運(yùn)動傳感器

使用加速度計（以跟蹤隨時間變化的振動）以及溫度，壓力，濕度和氣體濃度傳感器等傳感器進(jìn)行的長期機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測，以監(jiān)測設(shè)備的效率和健康狀況

圖3：盡管不適合機(jī)器控制，但Wi-Fi對于機(jī)器監(jiān)視應(yīng)用程序以及將工廠車間連接到企業(yè)級系統(tǒng)中很有用。 （圖片來源：Wi-Fi聯(lián)盟）

業(yè)界已經(jīng)進(jìn)行了幾次嘗試以使Wi-Fi適應(yīng)工業(yè)控制應(yīng)用，但是這些嘗試取得了有限的成功。 IIoT成功采用的一種例外協(xié)議是工業(yè)自動化和過程自動化無線網(wǎng)絡(luò)（WIA-PA），這是來自中國的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)。

Wi-Fi當(dāng)然可以在2.4或5 GHz上運(yùn)行，更高的頻率可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸，但由于穿透力不足，因此也有專門標(biāo)準(zhǔn)使用其他頻段。例如，IEEE 802.11ah低數(shù)據(jù)Wi-Fi（HaLow Wi-Fi）的工作頻率約為900 MHz，通常用于需要擴(kuò)展范圍和極低功耗的傳感器中。在另一個極端，IEEE 802.11ad Wi-Fi（WiGig）在大約60 GHz的頻率下運(yùn)行，以提供非?？焖俚臄?shù)據(jù)傳輸。

基于IEEE 802.15.4的無線技術(shù)

其他無線技術(shù)是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的低速無線個人局域網(wǎng)或LR-WPAN。 LR-WPAN技術(shù)優(yōu)先考慮在速度和范圍上的低成本和低功耗。基本規(guī)范允許數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到250 kb/s，范圍達(dá)到10 m，采用LR-WPAN通信的技術(shù)旨在允許低成本設(shè)備之間進(jìn)行通信，而無需任何其他通信基礎(chǔ)設(shè)施。基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議（例如6LoWPAN，WirelessHART和ZigBee）正迅速成為首選的IIoT協(xié)議。

1. WirelessHART：HART Communications Foundation，ABB，Siemens等公司支持的一種基于802.15.4的協(xié)議稱為WirelessHART。這是工業(yè)自動化應(yīng)用程序的良好支持和強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)。使用具有時間同步功能的跳頻網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)可靠性。相反，大多數(shù)基于Wi-Fi和蜂窩技術(shù)的無線通信協(xié)議使用的魯棒性較低的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟笏性O(shè)備都必須連接到中央設(shè)備。所有通信均使用128位AES加密，并且可以嚴(yán)格控制用戶訪問。

圖4：LTP5903-WHR SmartMesh網(wǎng)絡(luò)管理器支持線路供電的WirelessHART網(wǎng)關(guān)，使工程師可以集成基于標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的雙向通信。（圖片來源：ADI公司）

由于WirelessHART使用網(wǎng)狀拓?fù)洌虼丝梢灾苯釉谠O(shè)備之間路由數(shù)據(jù)。這可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍并形成冗余的通信路徑。這樣，如果一條路徑失敗，發(fā)送方將自動切換到冗余路徑。跳頻還允許WirelessHART避免干擾問題。

2. 6LoWPAN：低功耗無線個人局域網(wǎng)上的IPv6（通常稱為6LoWPAN）是允許IPv6數(shù)據(jù)包在基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膮f(xié)議。這意味著非常低功耗的設(shè)備可以連接到Internet，使其非常適合IoT傳感器和其他低功耗設(shè)備。

3. ZigBee：ZigBee由Zigbee聯(lián)盟維護(hù)，在智能家居和樓宇自動化應(yīng)用中得到最廣泛的應(yīng)用，ZigBee也許是最成熟的基于IEEE 802.15.4的協(xié)議。它使節(jié)點(diǎn)大部分時間都處于睡眠模式，從而大大延長了電池壽命。 ZigBee通常在2.4 GHz頻段內(nèi)運(yùn)行，并具有250 kbit / s 的固定數(shù)據(jù)傳輸速率。它可以支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括星形，樹形和網(wǎng)格。樹形和網(wǎng)格拓?fù)鋽U(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)范圍。

圖5：Zigbee可用于（在其他應(yīng)用中）工業(yè)設(shè)置中的運(yùn)動，振動，濕度，溫度和狀態(tài)傳感器。 （圖片來源：Zigbee聯(lián)盟）

藍(lán)牙LE和工業(yè)自動化中的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)

藍(lán)牙低功耗（BLE）是IEEE 802.15.4的替代方案，在該方案中，低成本和低功耗是重中之重，并且會犧牲速度和范圍。它以與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙相同的2.4 GHz頻率運(yùn)行。藍(lán)牙LE的最大優(yōu)點(diǎn)是它在移動操作系統(tǒng)（如開放手機(jī)聯(lián)盟的Android，蘋果的iOS和Microsoft Windows的各種排列）中得到廣泛支持。加上Logitech等大型電子產(chǎn)品供應(yīng)商投入了相當(dāng)多的開發(fā)工作，就難怪Bluetooth LE仍然主要是消費(fèi)類設(shè)備的無線連接首選。這與WirelessHART一直并且一直主要專注于IIoT應(yīng)用程序形成了鮮明的對比。

圖6：低功耗藍(lán)牙（BLE）標(biāo)準(zhǔn)具有一個串行端口配置文件，系統(tǒng)將其識別為完整的串行接口，有助于通過BLE連接的升級替換現(xiàn)有的有線設(shè)備。 （圖片來源：藍(lán)牙特別興趣小組）

綜上所述，過去幾年中，使用藍(lán)牙LE進(jìn)行工業(yè)自動化任務(wù)的傳感器，遙控器，鎖和手持式設(shè)備越來越多。未來幾年，這種趨勢可能會增加。

與用于低功率短距離通信的基于BLE和IEEE 802.15.4的協(xié)議相反，蜂窩技術(shù)是遠(yuǎn)程無線通信。 2G GSM蜂窩協(xié)議已被手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中常見的3G和4G高速蜂窩協(xié)議所取代。但問題是蜂窩通信消耗大量功率，因此在工業(yè)應(yīng)用中（尤其是在機(jī)器上進(jìn)行此類連接），系統(tǒng)需要連接到永久性的有線電源。蜂窩LTE類別表示最大的數(shù)據(jù)傳輸速率，盡管是以更高的功耗為代價的。LTE Cat-0和Cat-1連接適用于IoT設(shè)備。相反，LTE-M是專為機(jī)器對機(jī)器和IoT應(yīng)用設(shè)計的低功耗蜂窩協(xié)議。

與在手機(jī)領(lǐng)域廣泛使用不同，工業(yè)5G應(yīng)用還不太成熟。這是因?yàn)橄M(fèi)者優(yōu)先考慮下載速度，而IIoT系統(tǒng)的工程師則優(yōu)先考慮低延遲和覆蓋范圍。實(shí)際上，低延遲在工業(yè)自動化中至關(guān)重要。確實(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)將延遲保持在30毫秒以下，但是我們正在努力將延遲進(jìn)一步降低到僅1毫秒，這樣的速度足以應(yīng)付要求苛刻的實(shí)時工業(yè)控制（而不僅僅是監(jiān)視）應(yīng)用程序，例如在機(jī)床中傳輸反饋信號。

5G減少延遲的一種方法是網(wǎng)絡(luò)切片。這種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)的帶寬劃分為不同的虛擬通道，然后分別對其進(jìn)行管理。某些通道保留用于低延遲傳輸，禁止使用這些通道來傳輸大多數(shù)流量。然后，只有需要最快傳輸?shù)墓I(yè)控制應(yīng)用才被允許使用這些保留的快速通道。

LoRA無線協(xié)議的興起

遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)調(diào)制（LoRA）是低成本的無線協(xié)議，是可再生能源，采礦和物流行業(yè)中遠(yuǎn)程和海上應(yīng)用的首選。這是一種低功率無線技術(shù)，可以使用一個電池在很長的距離（甚至超過10 km）上通信長達(dá)10年。簡而言之，LoRA是一種在免許可證頻段上運(yùn)行的非蜂窩技術(shù)。它采用了諸如433和915 MHz的亞千兆赫頻段以及基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）調(diào)制的擴(kuò)頻調(diào)制。這使其非常適合于僅需要適度數(shù)據(jù)傳輸速率的偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)置的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。LoRA還具有128位加密和身份驗(yàn)證控件。另一個有用的功能（尤其是對于IIoT應(yīng)用中的傳感器）是使用設(shè)備之間的三邊測量進(jìn)行地理位置定位。

LoRA使用Semtech開發(fā)的專有技術(shù)，但具有多種開源元素。它由LoRa聯(lián)盟（包括IBM，Cisco，TATA，Bosch，Swisscom和Semtech）組成的大型聯(lián)盟支持（并確保了設(shè)備的互操作性）。

結(jié)論

工業(yè)自動化的無線協(xié)議比比皆是。每種都適合某些應(yīng)用。要求低功耗并接受短距離傳輸?shù)膽?yīng)用通常會受益于ZigBee和Bluetooth LE連接性。需要通信魯棒性的要求更高的工業(yè)應(yīng)用可能需要具有WirelessHART無線連接的設(shè)備。需要長距離傳輸?shù)膽?yīng)用需要高數(shù)據(jù)傳輸速率，因此需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)。在這里，5G有望改變工業(yè)無線通信現(xiàn)狀。通常，最好通過LoRa在長距離內(nèi)通信數(shù)據(jù)（并消耗最少的功率）。