工业物联网无线化趋势浅析

周 晋，李建军，王 锐

（广芯微电子（广州）股份有限公司，广东 广州 510700）

0 引 言

工业物联网发展趋势是个热门的跨学科话题，在“新基建”背景下尤为重要。从纷繁复杂的海量信息里抽丝剥茧以期窥探行业未来5～10年的发展趋势，行业专家们各有各的方法和手段。本文尝试从科技史的角度切入，以“场景”和“创新”为路径做初步剖析，以期为相关从业人员提供参考。

1 第三次工业革命的数次创新浪潮

以电子计算机和半导体技术为核心的第三次工业革命按照芯片运转“场景”来划分，大致可以拆解为：中心计算和大型机、个人计算和家电、移动计算和手机、云计算和人工智能、工业物联网综合解决方案和边缘计算等五次浪潮。

第三次工业革命的五次浪潮如图1所示。

图1 第三次工业革命的五次浪潮

通过对第三次工业革命的5个“场景”细分，可以发现中心计算、个人计算、移动计算再到云计算的前四次浪潮在“to C”领域遵循了“数据化—有线网络化—无线网络化—智能化”的4个循序渐进的步骤，最终达成“人与人”无处不在的连接（及互联网）并实现爆发式的发展。由此可以预见在“to B”领域也会遵循相似的路径并最终实现“物与物”无处不在的连接（及物联网），这就是“工业物联网”。虽然最近“第四次工业革命”的提法非常流行，但是笔者倾向于把“工业物联网”看作是第三次工业革命中“to B”创新的“二次启动”。参照对过往工业革命启动的分析，新技术突破是新工业革命的前提。目前，半导体、物联网和电池材料等新技术还有很多棘手问题有待解决，如功耗和成本等，而工业生产需要更高效能的技术。

2 工业物联网无线化趋势

从“to B”角度看，如果说第三次工业革命第一次浪潮的电子数字积分计算机（ENIAC）打开了工业物联网“数据化”的第一步，第二到四次浪潮的微控制器芯片（MCU）使“数据化”逐渐普及、使“有线网络化”初现成效的话，那么第五次浪潮就必须解决“无线网络化-智能化”的问题，否则“万物互联”和“新工业革命”将不容易实现。第三次工业革命无线网络化和智能化趋势如图2所示。

图2 第三次工业革命无线网络化和智能化趋势

关于无线网络化，虽然部分工业现场已经部署了许多有线数据网络，可以完成基本的信息采集和反馈，但要进一步提升生产和管理效率会遇到几个困难：工业现场有线网络技术标准碎片化（包括EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus、DeviceNet、CANopen、RS 232、RS 485 等）、布线改造时走线复杂、网络路由容量扩展受限、以及各种改造动作会导致停机维护等。

而以NB-IoT、ZETA和LORA为代表的低功耗广域网络（Low-Power Wide-Area，LPWA）技术能够实现电池供电的大范围和高密度的无线部署，配合低功耗传感器可以实现对已有工业场景的快速升级。很多场景都可以实现不停机安装，未来升级再加入无线取电和唤醒技术还可以省去电池。这些创新的技术组合有效地解决了有线网络改造的痛点。有线网络痛点和无线网络优点如图3所示。

图3 有线网络痛点和无线网络优点

参考HMS公司的分析报告，无线技术在工业网络2018年和2019年新增节点数量都增长了30%，市场份额都达到6%。

工业网络2018年全球新增节点数市场份额如图4所示；工业网络2019年全球新增节点数市场份额如图5所示。

图4 工业网络2018年全球新增节点数市场份额

图5 工业网络2019年全球新增节点数市场份额

3 适合工业物联网的无线网络技术

目前主流无线技术有蜂窝组网和自组网两大类，它们分别属于两个流派。

蜂窝网络（Cellular network）以移动终端传输速率提升为核心目标，从1983年到现在经历了1G到5G的发展，大概5～7年提升一代，数据传输能力从文本到图片和视频这直接导致了移动互联网行业的爆发。但是由于蜂窝网技术功耗偏高，在工业场景无法派专人每天给设备充电（手机场景实际是由用户自己负责每天充电），需要配合大电池或者市电一直接通才能工作，电线的束缚使无线通信的效能丧失大半，到目前为止工业场景还普遍部署各种有线通信技术。

另一种无线通信技术流派是非蜂窝自组网技术，这个类别虽然不能保证无线IoT终端移动中的高速率，但是非常适合工业物联网的固定场景，其主要包含下面4种流行技术类型：

（1）WiFi以固定场景高传输速率为目标，牺牲功耗和距离；

（2）普通蓝牙技术以固定场景低功耗和中等传输速率为目标，一般传输距离50 m以内；

（3）RFID以固定场景不耗电和极低成本为目标，牺牲距离、速率、交互性和容量；

（4）LPWA以长距离、大容量和低功耗为目标，牺牲速率。

其中LPWA技术已经被广泛应用于无线抄表、物业管理、设备设施监控和预测性维护等领域。国内外的关联芯片也非常丰富，TI的FSK微功率无线芯片、Semtech的LORA芯片和广芯微电子2020年1季度发布的ZETA芯片UM0068都属于LPWA技术的代表产品。

还有一种脱胎于蜂窝网络的跨界技术NB-IoT，它在兼顾部分移动性特征前提下极大优化了固定场景的睡眠功耗，使得这种技术也可以在数千毫安时电池的驱动下独立工作数年时间，也可以被列入LPWA领域。不同的是这种技术的网关（或者叫基站）只能由电信运营商来部署和运营，使用该技术的用户需要向对应电信运营商支付“流量费”（类似手机话费）。

适合工业物联网的无线网络技术比较如图6所示。

图6 适合工业物联网的无线网络技术

4 实时的易于系统集成的大容量LPWA

综合考虑物流、新零售、智慧工厂和养殖厂等半径200～500 m的工业场景数字化管理时数据收发频繁特点，以及低功耗长待机需求，普遍需求包括。

（1）物联网终端超低功耗待机电流，以保证3～5年的待机而无需充电或外接电线，从而实现随处部署。

（2）物联网终端峰值电流控制在20 mA以内时依然可以用中等速率达成200～500 Mb/s的信息收发，以维持纽扣电池供电，从而保证较小体积（纽扣电池标准峰值供电电流20 mA，虽然部分优质产品能短时间输出30～50 mA的电流，但是这需要一个较长回复时间后才能做下一次大电流放电，且对电池寿命有不良影响）。

（3）网关侧以星型组网为主架构，优化中心网关收发数据的实时性和系统整体容量，以满足工业现场实时大容量传感器接入的需求（不排除结合中继小网关做补盲覆盖）。

（4）网关侧把常用工业传感器信息固化到一个标准数据结构中，并把该结构开放给IT系统集成商，便于工业IT专家做快速系统集成，让工业数字化转型更加可靠和便利。

（5）网关侧补充空间网格化信标锚点，帮助系统集成商快速建立一套具有一定精度的实时室内定位系统。

图7 工业物联网对无线技术的需求

总体上，LPWA加入“实时”和“易于系统集成”等创新点，以及实时的易于系统集成的大容量LPWA协议，会更加适合工业物联网场景。

5 结 语

无线通信技术创新过程是一个“场景定义”的创新过程。针对场景需求，在基础技术上持续改进升级：从分立器件到集成化芯片；从简单点对点传输到大规模组网通信；从50 m以内的短距离通信扩展到200 m，500 m甚至数千米范围内通信。这是一个以对应用场景恰当覆盖为目标循序渐进的创新过程。如果说蜂窝网络5G技术是通过推高无线通信速率把用户需求拉升到更高维度的革命性技术的话，那么以LPWA为代表的自组网技术就有可能补位成为一种适合工业物联网的主流通信技术。