物联网无线通信：工业物联网连接的核心

本文要点：

工业物联网（IIoT）连接可以通过多种方法实现。
这些方法在功耗要求、传输距离、成本和技术成熟度上各不相同。
考虑基于蜂窝技术的用户需要了解他们计划部署的国家的频谱分配情况。

引言

我们生活在一个电子传感器的世界中，这些传感器不仅功能强大，还具备低成本和低功耗的特点。有些传感器能够检测和测量光、热、湿度、振动等参数，并且种类繁多。例如在工厂车间价值数百万美元的资本设备周围安装的一系列传感器可以传达设备效率或维护需求的宝贵信息。

然而，工业物联网设备往往是需要移动的，并且有线连接通常不切实际。那么，如何将这些丰富的信息传输到本地设施管理系统或位于数千公里外的分析服务器呢？

本文将讨论用于传输传感器收集信息的几种无线通信方法，这些方法使得无线工业物联网成为现实。众所周知，不同的技术提供不同的传输速率、功耗需求，并且各自最适合不同的应用场景。

值得一提的是，虽然“工业物联网（IIoT）”通常用于描述专业应用，而“物联网（IoT）”通常应用于消费者领域，但这两个术语经常互换使用。

LoRa

LoRa是一种长距离低功耗、低速率的双向通信标准。最大带宽约为50 kbits/秒，非常适用于低功耗要求的电池供电设备。

LoRa工作在ISM（工业、科学、医疗，Industrial, Scientific Medical）频段，其频率中心约为0.9 GHz。这些频率允许通信距离可达10至15公里，并且相比典型的2.4 GHz蜂窝频率，具有更好的穿透障碍物的能力。

LoRa 与 Wi-Fi 和蜂窝通信的比较。图片来源： Semtech  

LoRa标准由LoRa联盟管理，Semtech是其创始成员之一。LoRa标准得到了国际电信联盟（ITU）的认可，参考文献为ITU-T Y.4480。正如上图所示，LoRa的工作范围比Wi-Fi和蜂窝网络要长。虽然数据带宽有限，但在许多用例中，这并不是问题。另一个优势是LoRa通信需要非常低的功耗，因此电源设备可以更小、更轻且不常需要充电或更换。

Zigbee

Zigbee是另一种低功耗技术。当在2.4 GHz频段上运行时，支持的带宽可达250 kbits/秒，而在ISM频段时可达20 kbits/秒。其传输范围较短，约为10至100米。这些范围可以通过网状网络扩展，在网状网络中，每个Zigbee节点可以与任何范围内的其他节点通信。

这意味着，如果一个节点的信号无法直接到达中心点，它可以将消息传递给范围内的相邻节点。如果该节点仍无法到达中心点，它会继续将消息传递给另一个节点，直到原始消息到达目的地。这个中心点可能与互联网连接，也可能没有。

Zigbee的主要优势在于，由于其低范围和低数据容量，每个Zigbee节点消耗的电量非常少。

Zigbee标准由连接标准联盟（CSA）制定。与之前描述的LoRa联盟类似，遵守CSA标准确保任何新制造商的设备可以与符合该标准的现有网络互操作。

LoRa和Zigbee的对比

LoRaWAN®适用于长距离通信，支持成千上万的设备，非常适合智能农业和资产追踪等应用。Zigbee则设计用于低功耗应用，常用于家庭自动化和工业监控。LoRaWAN®具有更长的传输距离，而Zigbee则提供更高的数据速率。

以下是二者的优缺点对比：

LoRa

• 更长的传输范围
• 更少的功耗
• 扩频技术防止干扰
  但是……
• 数据带宽较小
• 使用未授权的无线电网络可能导致信号干扰

Zigbee

• 使用AES-128加密，安全性更好
• 延迟较低
• 支持大量的网络节点
  但是……
• 通常只适合室内环境

LoRa和Zigbee的应用场景

以下应用列表并不全面。一些应用场景，如工业监控，可能视具体情况由任一技术服务。

LoRa 适用于农业、工业/工厂、零售监控与控制、物流和智能防火。
Zigbee 最适用于智能家居、楼宇自动化和医疗数据采集。

NB-IoT

窄带物联网（NB-IoT）用于连接需要监控和控制的远程设备。正如u-blox所描述的那样，“NB-IoT是一种专注于‘物’之间通信的蜂窝技术，能够在难以到达的地方通过较长周期传输少量数据。”

NB-IoT优化了处理少量的双向数据，其设备具有非常低的功耗，且价格低廉。由于相对较低的传输频率，它们在建筑物内和地下的覆盖效果非常好。“对于典型的NB-IoT应用来说，使用其他蜂窝空中接口成本过高，因为NB-IoT应用不需要它们所有的功能。

适用于 GSM 和 LTE 频段的 NB-IoT。图片来源：Researchgate

NB-IoT的另一个优势是它使用许可频谱，确保了通信的安全性和可靠性。作为一种蜂窝技术，如果NB-IoT节点移出一个基站的覆盖范围，它可以像智能手机一样被下一个基站接管，保持连接不中断。

NB-IoT的应用场景

这种极低功耗技术可以使设备使用一颗手电筒电池持续工作多年。虽然数据传输速率较低，但信号范围可达10公里。而且一个基站可以支持数万个设备。应用场景包括：

• 智能建筑
• 农业
• 工厂车间
• 医疗保健
• 公用事业
• 交通与物流
• 人员和车辆定位（非连续）

5G Red_Cap

也许5G对消费者的好处不大，除了更高的成本和拥有最新蜂窝技术的炫耀。5G的真正亮点在于它作为物联网通信的媒介。一个案例是5G RedCap，即5G减容（Reduced Capacity），也称为5G NR-Light。

5G Red_Cap由3GPP推出，3GPP是一个全球性合作组织，其成员包括世界领先的电子通信公司，共同定义和开发电信标准，包括5G。

5G RedCap的延迟与现有4G LTE技术相当，远低于大多数低功耗广域网技术（如NB-IoT）的延迟。这意味着5G RedCap可以支持需要接近实时数据通信的应用，例如工业自动化和智能电网应用。

5G Red_Cap没有涵盖5G的全部功能，实际上，Red_Cap是“减容”的缩写。因此，使用该技术的物联网通信具有较低的数据带宽，成本更低，功耗更少。然而，正如Quectel所描述的那样，“RedCap的下行吞吐量超过220 Mbps，上行超过120 Mbps，虽然远低于全5G的千兆速度，但相比NB-IoT或Cat M1更强大，并且延迟显著低于4G网络，适用于依赖接近实时数据通信的应用。”

Red_Cap与LTE的对比

• 更高的峰值数据速率
• 更小的设备尺寸
• 更低的延迟
• 更低的功耗
• 更好的定位能力

Red_Cap让用户能够更快速地利用5G的重要子集功能，而无需承担完全适应5G的所有成本。

Red_Cap的应用场景包括：

• 医疗可穿戴设备（150/50 Mbps下载/上传），在紧急情况下精确定位患者
• 视频监控，延迟<200 ms，上行50Mbps
• 工业无线传感器，延迟<100 ms，电池寿命极长

挑战与机遇

NB-IoT 和 Redcap 等蜂窝技术是极具吸引力的选择。在全球范围内，LTE 的定义相当明确，但 5G 尚在发展中，因此考虑采用 RedCap 的组织需要了解他们打算运营的国家/地区的标准。

可能大家会注意到，我们在此讨论的四种技术的用例表现出很大的重叠性。此外，虽然人们谈论 6G，但重要的是要意识到 5G 作为一项标准仍在不断发展，因此今天不切实际的事情在几个月后可能会成为现实。

被监控的站点和设备现在正在生成大量数据，而通过互联网传输这些数据的成本正在上升。因此，系统设计人员应该通过称为边缘计算的过程在本地进行尽可能多的数据分析，而不是完全依赖位于数千公里之外的分析引擎。

总结

现在我们可以轻松获得廉价、高效且耗电量极少的传感器。这些设备可以报告各种各样的信息，这些信息在广泛的消费、工业、医疗和军事情况下都很有用。这些传感器及其检索到的信息的一个重要用途是，它们消除了现场人员记录、记录和传输这些信息的需要。

在某些情况下，这些传感器和本地控制中心之间的有线连接就足够了。但更常见的情况是，从这些传感器收集的数字信息必须传输到数千英里之外的分析引擎。无论如何，有线连接使设施空间的重组成为一个真正的问题。

这就是物联网的用武之地。物联网还消除了对有线连接的需求，有线连接会使库存控制、运输和医疗保健等用例变得不可能。

Zigbee 和 LoRa 标准由成熟的国际组织控制。NB-IoT 主要基于成熟的标准 LTE。

Redcap 基于不断发展的标准 5G。与普遍看法相反，5G 对消费者来说并没有太大改变，但另一方面，它似乎是电信世界的发展方向。选择适应这一令人兴奋的新选择的设计师需要做好功课，因为成为先驱者可能会有风险。

本文作者： Gary Elinoff  资料来源：Electropages

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