工業物聯網無線化趨勢淺析

周 晉，李建軍，王 銳

（廣芯微電子（廣州）股份有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引 言

工業物聯網發展趨勢是個熱門的跨學科話題，在“新基建”背景下尤為重要。從紛繁復雜的海量信息里抽絲剝繭以期窺探行業未來5～10年的發展趨勢，行業專家們各有各的方法和手段。本文嘗試從科技史的角度切入，以“場景”和“創新”為路徑做初步剖析，以期為相關從業人員提供參考。

1 第三次工業革命的數次創新浪潮

以電子計算機和半導體技術為核心的第三次工業革命按照芯片運轉“場景”來劃分，大致可以拆解為：中心計算和大型機、個人計算和家電、移動計算和手機、云計算和人工智能、工業物聯網綜合解決方案和邊緣計算等五次浪潮。

第三次工業革命的五次浪潮如圖1所示。

圖1 第三次工業革命的五次浪潮

通過對第三次工業革命的5個“場景”細分，可以發現中心計算、個人計算、移動計算再到云計算的前四次浪潮在“to C”領域遵循了“數據化—有線網絡化—無線網絡化—智能化”的4個循序漸進的步驟，最終達成“人與人”無處不在的連接（及互聯網）并實現爆發式的發展。由此可以預見在“to B”領域也會遵循相似的路徑并最終實現“物與物”無處不在的連接（及物聯網），這就是“工業物聯網”。雖然最近“第四次工業革命”的提法非常流行，但是筆者傾向于把“工業物聯網”看作是第三次工業革命中“to B”創新的“二次啟動”。參照對過往工業革命啟動的分析，新技術突破是新工業革命的前提。目前，半導體、物聯網和電池材料等新技術還有很多棘手問題有待解決，如功耗和成本等，而工業生產需要更高效能的技術。

2 工業物聯網無線化趨勢

從“to B”角度看，如果說第三次工業革命第一次浪潮的電子數字積分計算機（ENIAC）打開了工業物聯網“數據化”的第一步，第二到四次浪潮的微控制器芯片（MCU）使“數據化”逐漸普及、使“有線網絡化”初現成效的話，那么第五次浪潮就必須解決“無線網絡化-智能化”的問題，否則“萬物互聯”和“新工業革命”將不容易實現。第三次工業革命無線網絡化和智能化趨勢如圖2所示。

圖2 第三次工業革命無線網絡化和智能化趨勢

關于無線網絡化，雖然部分工業現場已經部署了許多有線數據網絡，可以完成基本的信息采集和反饋，但要進一步提升生產和管理效率會遇到幾個困難：工業現場有線網絡技術標準碎片化（包括EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus、DeviceNet、CANopen、RS 232、RS 485 等）、布線改造時走線復雜、網絡路由容量擴展受限、以及各種改造動作會導致停機維護等。

而以NB-IoT、ZETA和LORA為代表的低功耗廣域網絡（Low-Power Wide-Area，LPWA）技術能夠實現電池供電的大范圍和高密度的無線部署，配合低功耗傳感器可以實現對已有工業場景的快速升級。很多場景都可以實現不停機安裝，未來升級再加入無線取電和喚醒技術還可以省去電池。這些創新的技術組合有效地解決了有線網絡改造的痛點。有線網絡痛點和無線網絡優點如圖3所示。

圖3 有線網絡痛點和無線網絡優點

參考HMS公司的分析報告，無線技術在工業網絡2018年和2019年新增節點數量都增長了30%，市場份額都達到6%。

工業網絡2018年全球新增節點數市場份額如圖4所示；工業網絡2019年全球新增節點數市場份額如圖5所示。

圖4 工業網絡2018年全球新增節點數市場份額

圖5 工業網絡2019年全球新增節點數市場份額

3 適合工業物聯網的無線網絡技術

目前主流無線技術有蜂窩組網和自組網兩大類，它們分別屬于兩個流派。

蜂窩網絡（Cellular network）以移動終端傳輸速率提升為核心目標，從1983年到現在經歷了1G到5G的發展，大概5～7年提升一代，數據傳輸能力從文本到圖片和視頻這直接導致了移動互聯網行業的爆發。但是由于蜂窩網技術功耗偏高，在工業場景無法派專人每天給設備充電（手機場景實際是由用戶自己負責每天充電），需要配合大電池或者市電一直接通才能工作，電線的束縛使無線通信的效能喪失大半，到目前為止工業場景還普遍部署各種有線通信技術。

另一種無線通信技術流派是非蜂窩自組網技術，這個類別雖然不能保證無線IoT終端移動中的高速率，但是非常適合工業物聯網的固定場景，其主要包含下面4種流行技術類型：

（1）WiFi以固定場景高傳輸速率為目標，犧牲功耗和距離；

（2）普通藍牙技術以固定場景低功耗和中等傳輸速率為目標，一般傳輸距離50 m以內；

（3）RFID以固定場景不耗電和極低成本為目標，犧牲距離、速率、交互性和容量；

（4）LPWA以長距離、大容量和低功耗為目標，犧牲速率。

其中LPWA技術已經被廣泛應用于無線抄表、物業管理、設備設施監控和預測性維護等領域。國內外的關聯芯片也非常豐富，TI的FSK微功率無線芯片、Semtech的LORA芯片和廣芯微電子2020年1季度發布的ZETA芯片UM0068都屬于LPWA技術的代表產品。

還有一種脫胎于蜂窩網絡的跨界技術NB-IoT，它在兼顧部分移動性特征前提下極大優化了固定場景的睡眠功耗，使得這種技術也可以在數千毫安時電池的驅動下獨立工作數年時間，也可以被列入LPWA領域。不同的是這種技術的網關（或者叫基站）只能由電信運營商來部署和運營，使用該技術的用戶需要向對應電信運營商支付“流量費”（類似手機話費）。

適合工業物聯網的無線網絡技術比較如圖6所示。

圖6 適合工業物聯網的無線網絡技術

4 實時的易于系統集成的大容量LPWA

綜合考慮物流、新零售、智慧工廠和養殖廠等半徑200～500 m的工業場景數字化管理時數據收發頻繁特點，以及低功耗長待機需求，普遍需求包括。

（1）物聯網終端超低功耗待機電流，以保證3～5年的待機而無需充電或外接電線，從而實現隨處部署。

（2）物聯網終端峰值電流控制在20 mA以內時依然可以用中等速率達成200～500 Mb/s的信息收發，以維持紐扣電池供電，從而保證較小體積（紐扣電池標準峰值供電電流20 mA，雖然部分優質產品能短時間輸出30～50 mA的電流，但是這需要一個較長回復時間后才能做下一次大電流放電，且對電池壽命有不良影響）。

（3）網關側以星型組網為主架構，優化中心網關收發數據的實時性和系統整體容量，以滿足工業現場實時大容量傳感器接入的需求（不排除結合中繼小網關做補盲覆蓋）。

（4）網關側把常用工業傳感器信息固化到一個標準數據結構中，并把該結構開放給IT系統集成商，便于工業IT專家做快速系統集成，讓工業數字化轉型更加可靠和便利。

（5）網關側補充空間網格化信標錨點，幫助系統集成商快速建立一套具有一定精度的實時室內定位系統。

圖7 工業物聯網對無線技術的需求

總體上，LPWA加入“實時”和“易于系統集成”等創新點，以及實時的易于系統集成的大容量LPWA協議，會更加適合工業物聯網場景。

5 結 語

無線通信技術創新過程是一個“場景定義”的創新過程。針對場景需求，在基礎技術上持續改進升級：從分立器件到集成化芯片；從簡單點對點傳輸到大規模組網通信；從50 m以內的短距離通信擴展到200 m，500 m甚至數千米范圍內通信。這是一個以對應用場景恰當覆蓋為目標循序漸進的創新過程。如果說蜂窩網絡5G技術是通過推高無線通信速率把用戶需求拉升到更高維度的革命性技術的話，那么以LPWA為代表的自組網技術就有可能補位成為一種適合工業物聯網的主流通信技術。