適合工業場景的SmartMesh與時間敏感網絡

　　王 翔 （ADI中國區，上海 201203）

　　摘?要：分析了工業無線連接的特點，以及各種工業無線網絡，介紹了ADI公司的SmartMesh與時間敏感網絡（TSN）解決方案。

　　關鍵詞：工業；無線；六西格瑪；TSN

　　1 IIoT用無線連接的特點

　　IIoT（工業物聯網）是物聯網的一個重要子集，概念涵蓋了工業領域的各行各業。與人們日常接觸到的智能家居等物聯網應用相比，因為IIoT可能直接影響工業生產的效率、安全和產品質量，因此工業應用對IIoT有一些不同于其他物聯網應用的要求，例如當前有很多企業要求達到六西格瑪（6 Sigma）的標準要求，那么它的出錯率不能超過百萬分之3.4，也就要求支持這些企業生產運營的IIoT系統也要能夠滿足這樣的可靠程度。

　　工業對連接的普遍要求是可靠、低時延、安全。連接分為有線連接和無線連接兩種。由于有線連接有著天然的抗干擾、低時延、高帶寬的優勢，傳統上在工業領域有線連接使用得最多。無線連接的優勢在于布置靈活、對場地的要求小、施工方便、少了線纜的成本和質量等，因此無線連接在工廠的智能化改造中得到了普遍的青睞。

　　因為IIoT的無線連接是應用于工業環境的，因此不僅要滿足工業應用的要求，還要盡量減少無線特征自然帶來的劣勢，比如頻率干擾、數據掉包、功耗大、傳輸安全等。

　　簡而言之，工業物聯網應用場景千千萬萬，對無線連接的要求各有不同，但普遍而言，應用于IIoT的無線連接必須具備以下幾個特點：

　　1）高可靠。尤其在生產現場，不能出現數據掉包現象，因為任何的數據掉包將可能帶來產品質量的瑕疵。

　　2）抗干擾能力強。無線連接工作在開放的空間，環境中存在各種頻率的干擾，無線連接必須具備抵御噪聲頻率干擾的能力。

　　3）低功耗。沒有了線纜，只能靠電池供電。功耗越低，更換電池的頻率就越低。

　　4）方便部署。很多工業現場在最初的設計中是沒有放置無線通信設備和傳感器的地方的，后期改造必須因地制宜，這對設備的體積和傳輸避障等提出較高要求。

　　5）傳輸安全。無線連接的信號是在空中傳輸的，信號容易被截取，因此通過加密確保信息的傳輸安全也是對無線連接的一大考驗。

　　6）面向未來的能力。無線連接的協議最好能夠具備互聯網協議第6版（IPv6）支持能力。

　　2 各種無線標準的特點

　　根據國家《工業互聯網發展行動計劃（2018—2020）》的描述，工業互聯網分為企業外網絡和企業內網絡，IIoT更側重于企業內網絡；計劃中將企業內網絡描述為由有線和無線連接有機結合而成。因為5G的執照剛剛頒布，運營商還在布網的初級階段，在工業領域的應用還處于探討和摸索階段，在此先不做考慮。

　　在我國，除了運營商的蜂窩技術無線連接工作在運營商各自的授權頻段外，無線連接一般工作在非授權頻段，一般有433 MHz、470 MHz、800 MHz、900MHz、2.4 GHz、sub-6 GHz等。

　　無線連接的組網方式一般有點對點、星型架構和自組網3種。

　　實現無線連接的通信協議有很多，因為最初都是基于各自的應用實踐而開發的，所以不同的協議標準對應用場景有不同的側重，組網方式和工作頻段也會有所不同。目前比較常見的工作在運營商授權頻段的寬帶無線標準有NB-IoT、3G、4G；工作在2.4 GHz的有藍牙、Zigbee和Wi-Fi；工作在低于1 GHz的窄帶有LoRa、6Lowpan等。

　　當前流行的藍牙、Wi-Fi、Zigbee和LoRa以及2/3/4G和NB-IoT等蜂窩通信方案廣泛地應用于智能家居、智慧城市、智能樓宇等對可靠性要求不高的非工業場景；也正是因為這些領域的智能方興未艾，這些也成為大家聽到和接觸得比較多的通信方案。但當面對要求比較苛刻的工業場景時，往往需要專門的通信方案。

　　3 ADI的兩種方案：SmartMesh與TSN

　　由于工業場景的復雜性和特殊要求，且目前市場比較通用的通信解決方案往往不能完全滿足要求，因此必須開發出能夠真正滿足工業需求的方案。

　　ADI公司推出的基于開放架構802.15.4e的SmartMesh無線連接解決方案，是能真正滿足工業嚴苛環境要求的低功耗無線通信解決方案，提供高達99.999%的可靠保證，具備跳頻功能保證抗干擾的要求，同時提供時鐘同步信息為后臺的數據分析的準確性提供保障。

　　SmartMesh具備Mesh自組網功能，可以有效避障且長時間工作在嚴苛的環境中而保證數據包的完整傳輸，例如800 kV的特高壓、嘈雜的無線噪聲環境、對免維護要求極高的部署在野外無人區域的設施監測等；也已經在對可靠性要求極高的高速列車和飛機上使用，以替代線纜實現傳感器的靈活部署、減輕整體質量等。

　　除此以外，ADI的FIDO5000系列向客戶提供TSN（時間敏感網絡）的解決方案，有效地幫助客戶實現工廠智能化的改造，對工業現場的高速控制提供通道，已經在2019年工信部標準部門組織的測試中得到驗證。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第11期第10頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。