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IIoT智能化过程中绕不开的那些边缘节点通信系统设计要点

作者:时间:2018-11-26来源:电子产品世界收藏

  根据埃森哲的研究报告,全球工业物联网(Industrial Internet of Things,简称)市场规模预计在2020年将超过5,000亿美元。基于当前的投入水平,到2030年预计工业物联网为世界经济带来的收益至少在10万亿美元。同时,IDC数据统计显示未来超过75%的数据需要在网络边缘侧分析、处理与储存。然而在的边缘计算领域,很多基本的重大问题仍然悬而未决,或者仍有很大的改进空间,包括边缘侧通信系统的连接性、易管理性、可扩展性、可靠性、安全性等。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201811/394878.htm

  有线通信or无线网络?

  通常而言,边缘节点一般必须通过有线或无线传感器节点(WSN)连接到网络。在信号链的这一部分中,数据完整性仍然十分关键。如果通信不一致、丢失或损坏,则优化检测和测量数据几乎没有价值。理想情况下,要在系统架构设计期间预先设计鲁棒的通信协议。

  在连接的鲁棒性至关重要的情况下(如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET和ModbusTCP),工业有线通信发挥着关键作用。远距离传感器节点可以用无线网络向网关回传信息,网关则依赖有线基础设施。数量较少的联网物联网节点会一律使用有线通信,因为多数这些设备会采用无线连接。借助有效的工业物联网连接策略,可以将传感器安装在可以检测到有价值信息的任何地方,不仅是现有的通信设施和电源基础设施所在之处。

  传感器节点必须有与网络通信的方法。以太网在有线领域占据主导,因为工业物联网框架把更高层的协议映射于这类连接上。具体的以太网实施方案的速率范围为10 Mbps至100 Gbps及以上。高速率通常面向互联网主干网,用于连接云中的服务器群。

  对于想要走智能化道路的IIoT来说,在考虑采用哪种通信和网络技术时,解决面临的以下诸多挑战成功部署无线网络则是一条必经之路。

  范围、带宽、功率、安全性与可靠性……一个也不能少

  接入网络的工业物联网设备传输数据的距离是部署通信系统需要首要考虑的一个重点。以米为单位的短程个人局域网(PAN)可以用于通过BLE进行设备调试的情况,长达数百米的局域网(LAN)则可用于安装在同一栋建筑中的自动化传感器。广域网(WAN)以千米为单位,其应用包括安装在大型农场里的农用传感器。选择的网络协议应与工业物联网的具体应用案例要求的范围相匹配。例如,对于工作距离为数十米的室内局域网应用,4G蜂窝网络在复杂程度和功率方面就不合适。在要求范围内传输数据有困难时,边缘计算不失为一种替代方案。

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  短程无线链接

  而带宽限制了可以从工业物联网传感器节点采集数据的最大速率以及向下游传输数据的最大速率,需要考虑每台设备随时间推移产生的数据总量、网关中部署和聚合的节点数以及以恒定数据流或间歇性突发方式存在的突发数据高峰期需要的可用带宽三大因素。网络协议包的大小最好与传输的数据大小相匹配,发送含有空数据的包会造成效率下降。

  如果工业物联网设备必须用电池供电,为了省电,可以在其空闲时使其进入睡眠模式。同时可以在不同的网络负载条件下模拟设备的功耗,这样可以确保设备的电源和电池容量与传输必要数据需要的功耗相匹配。

  网络中不同可能节点之间的协调配合也是个挑战。为了维持互联网的协调能力,传统方法是采用标准有线和无线协议。为了跟上新技术的快速发展步伐,很难实现新的工业物联网流程的标准化。以工业物联网生态系统为例,看看符合现有解决方案需要的最佳技术,如果被广泛运用,则实现长期协调配合的概率会更高。

  此外,工业物联网的网络安全性在系统中起着三个重要的作用:机密性、完整性和真实性。机密性要求网络数据只停留在已知框架中,不允许数据被外部设备破坏或截获;数据完整性要求消息内容与发射数据完全相同,不改变、减少或增加信息;真实性则要求从符合预期的独家来源接收数据。连接不安全网关的安全无线节点会造成安全漏洞,有可能遭到破坏。数据时间戳有助于发现是否有任何信号被跳过并被通过旁道传输。时间戳也可以用于正确重整来自多个未同步传感器的凌乱的关键时间数据。

  频段、通信协议与网络拓扑结构选择有诀窍

  物联网无线传感器可以在蜂窝基础设施中使用特许执照频段,但这些设备可能非常耗电。在车载远程信息处理这个应用示例中,需要采集移动信息,所以,短程无线通信并不可行。然

  而,许多其他低功耗工业应用通常选择会占用ISM频段中免执照频谱。IEEE 802.15.4低功耗无线标准可能是诸多工业物联网应用的理想选择,该标准的工作频段为2.4 GHz、915 MHz和868 MHz ISM,总共有27个通道可以用于射频通道多次跳跃。

  蓝牙低能耗(BLE)是一种功耗大幅减小的解决方案,它不是文件传输的理想选择,却更适合小块数据。其主要优势是与竞争技术相比,已与移动设备广泛集成,所以更具普遍性。蓝牙4.2核心规范采用高斯频移调制,工作频段为2.4 GHz ISM,范围为50米至150米,数据速率为1 Mbps。

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  IEEE 802.15.4 频段与通道分配

  通信协议则是通信系统中用来格式化数据和控制数据交换的一组规则和标准。开放系统互连(OSI)模型将通信分解成不同的功能层,以便更容易地实现可扩展的互操作型网络。OSI模型有七个层次:物理(PHY)层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

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  OSI与TCP/IP模型

  IEEE 802.15.4协议还规定了两个设备类别,全功能设备(FFD)可以用在任何拓扑结构中,作为PAN协调器与任何其他设备通信;精简功能设备(RFD)仅限于星形拓扑结构,因为它不能成为网络协调器。它只能在简单的IEEE 802.15.4实施方案中与网络协调器通信。根据具体应用,有多种网络模型:点对点模型、星模型、网模型和多跳模型。

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  网络模型:点对点、星形、网状和多跳拓扑结构

  在此趋势下趋势,亚德诺半导体(ADI)针对AduCx系列微控制器,以及Blackfin系列DSP提供支持有线网络协议的全套无线模拟收发器。例如低功耗无线大功率收发模块方案ADRF7242支持IEEE 802.15.4、可编程数据速率和调制方案,采用全球ISM频段,速率范围为50 kbps至2000 kbps,符合FCC和ETSI标准的要求。ADRF7023的工作频段为全球免执照ISM频段,工作频率为433 MHz、868 MHz和915 MHz,速率范围为1 kbps至300 kbps。此外,ADI公司还提供完整的WSN开发平台,助力定制解决方案的设计。



关键词: IIoT

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