工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與通信連接技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是“新基建”的七大板塊之一，也是國家新時期的核心戰(zhàn)略部署，同時也是從傳統(tǒng)的消費互聯(lián)網(wǎng)（To C 端）向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（To B端）轉(zhuǎn)型的重要方向。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念很簡單，本質(zhì)上就是利用先進的信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（不僅指工業(yè)）進行改造升級，以期達到效益與競爭力的提升。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)全要素（人員、機器、物料、規(guī)則、環(huán)境）的連接，然后通過大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)，存儲并運算數(shù)據(jù)，深度挖掘數(shù)據(jù)價值，優(yōu)化生產(chǎn)流程，從而實現(xiàn)效率及生產(chǎn)力提升、成本下降和利潤增長。

其中，通信技術(shù)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動力量，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與通信連接技術(shù)有著非常緊密的關(guān)系，由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不同及應(yīng)用場景的差異，需要多種通信制式來覆蓋不同的業(yè)務(wù)需求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)包括有線連接與無線通信兩大類別，其中無線通信技術(shù)因部署簡單、功能強大、使用便捷、組網(wǎng)靈活、覆蓋區(qū)域大而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用，特別是5G、LoRa等新技術(shù)的導(dǎo)入所引發(fā)的技術(shù)變革是本文重點關(guān)注內(nèi)容。

不同的場景對通信方式的要求不同：自動駕駛領(lǐng)域要求低延時，因此5G的uRLLC方式適合；遠程醫(yī)療要求大帶寬，因此5G的eMBB有其優(yōu)勢；低速率、大容量、遠距離場景使用各種LPWAN制式比較合適，包括LoRa、NB-IOT、Chirp-IOT等技術(shù)；對MESH組網(wǎng)要求較高的可以采用BLE/Zigbee等技術(shù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實例——智慧工廠

不妨讓我們先來看一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的智慧工廠實例。

智慧工廠是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重要應(yīng)用場景之一，怎么保障自動上料、倉儲運輸、物流送料等過程都得到有效的管理與控制，毫無疑問必須運用現(xiàn)代的無線通信技術(shù)，以下是一個AGV（Automatic Guided Vehicle）小車管理的案例：

當AGV小車在室內(nèi)時，AGV小車和貨架標簽都可以通過藍牙AOA（Angle of Arrive）定位技術(shù)與基站通信，基站可以計算出具體位置，再將實時的位置信息傳至后臺服務(wù)器。一方面可以實現(xiàn)對AGV小車的定位。另一方面，采用電子貨架標簽ESL顯示具體商品的信息，結(jié)合AOA定位技術(shù)，可以實現(xiàn)物料的統(tǒng)一管理和定位。

AGV小車從室內(nèi)到室外的過程，利用125K低頻觸發(fā)技術(shù)，位于AGV小車內(nèi)的觸發(fā)芯片會收到觸發(fā)激活基站的信號，從而AGV小車會從藍牙AOA定位切換到GPS定位。

當AGV小車在室外時，GPS模塊通過與衛(wèi)星通信來獲取具體的經(jīng)緯度信息，因為GPS模塊功耗比較高，所以通過陀螺儀模塊來判斷購物車在室外的運動狀態(tài)，當靜止時則關(guān)閉GPS節(jié)省功耗，當運動時則打開GPS獲取的位置信息，再通過低功耗遠距離通信技術(shù)（例如LoRa、Chirp-IOT等）傳輸給基站。

AGV小車在室內(nèi)或室外都是將位置信息傳輸給基站，基站再通過有線或無線以太網(wǎng)經(jīng)過路由器傳輸給后臺服務(wù)器，后臺服務(wù)器將收集的位置信息記錄下來，最終給用戶呈現(xiàn)各個AGV小車的位置信息及運動軌跡。

這個案例中分別運用藍牙AOA定位技術(shù)，電子貨架標簽ESL，GPS定位技術(shù)、低功耗遠距離通信技術(shù)等多種手段，完成對目標物體室內(nèi)外軌跡的跟蹤及上報，后臺通過云端管理軟件，對目標進行有效的管理與控制，達到工業(yè)環(huán)境的全過程控制。

應(yīng)用場景決定了通信方式的選擇。本文將選取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的幾個經(jīng)典底層技術(shù)場景來闡述對通信制式的要求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)物體或人的位置定位。未來50%以上的信息都與位置數(shù)據(jù)相關(guān)。據(jù)Market&Markets的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，未來幾年，室內(nèi)定位的全球市場將以42.0％的年復(fù)合成長率增長，市場規(guī)模預(yù)計從2017年的71億1000萬美元擴大到2022年的409億9000萬美元。特別是以蘋果為代表的手機企業(yè)將高精度定位系統(tǒng)引入手機生態(tài)系統(tǒng)后，原本TO B 的商業(yè)模式將快速過度到TO C的市場，這必將引起新一輪市場的快速增長。

采集位置數(shù)據(jù)就需要依賴定位技術(shù)，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，定位技術(shù)的各項性能指標也得到了長足的進步，基于定位技術(shù)的相應(yīng)市場也正在逐漸開啟。隨著室內(nèi)定位技術(shù)精度的提高，室內(nèi)定位為零售、制造、醫(yī)療、機器人等行業(yè)提供十分準確的位置信息數(shù)據(jù)，成為物聯(lián)網(wǎng)時代的重要基礎(chǔ)。不可否認的是，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，室內(nèi)定位技術(shù)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)技術(shù)之一，自然能夠獲得更大的市場機遇。

室內(nèi)定位常用到的技術(shù)有Wi-Fi、RFID、ZigBee、紅外線、藍牙和UWB超寬帶技術(shù)，各種技術(shù)均有各自的特點，如下表所示：

有眾多技術(shù)可以實現(xiàn)室內(nèi)定位，其中包括RFID、紅外線、藍牙Beacon、Zigbee，Wi-Fi、UWB及AOA-BLE，每種技術(shù)都有其長處和不足，其中高精度定位領(lǐng)域主要是UWB 及最新BLE 5.1 所支持的AOA/AOD技術(shù)，這些技術(shù)能夠為工業(yè)場景的人員、物流、資產(chǎn)提供準確的時空位置信息，這是都是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

除此之外，其他的室內(nèi)定位技術(shù)，例如視覺成像定位、低頻觸發(fā)定位、超聲波定位、慣性導(dǎo)航定位，激光雷達定位、毫米波定位等，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的人、機、料、法、環(huán)的各個要素環(huán)節(jié)，比如自動上料、倉儲運輸、物流送料等過程都可能得到應(yīng)用。毫無疑問，室內(nèi)定位將會是多種傳感器或者是多種技術(shù)的融合，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個基礎(chǔ)產(chǎn)品。

同時，結(jié)合三維地圖系統(tǒng)，室內(nèi)定位技術(shù)能夠解決很多場景問題，類似展會觀眾行為分析、消防疏散緊急預(yù)案，商場顧客行為分析，人流熱力分布等，以下是一個室內(nèi)定位系統(tǒng)的圖例。

圖中BLE 標簽或裝有定位APP的手機發(fā)送標準的BLE 5.1 的AOA/AOD定位信號到定位基站，定位基站通過定位硬件及相關(guān)算法，計算出物體的空間位置，隨后通過TCP/UDP等連接發(fā)到后臺PaaS平臺，應(yīng)用端結(jié)合已有的室內(nèi)定位便能準備定位物體位置。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境存在大量的傳感器、閥門、過程控制變量等低速信號需要采集與處理，并且工業(yè)環(huán)境需要傳輸距離遠、工作年限長、通信密度大、抗干擾強的通信制式，上述場景應(yīng)用低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LPWAN）比較合適，常見用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的低功耗廣域網(wǎng)系統(tǒng)如下：

上述LPWAN連接方式中，基于公網(wǎng)的是LTE-Cat1、LTE-eMTC、NB-IOT；為了滿足不同場景下的物聯(lián)網(wǎng)場景下的需求，3GPP最后確定LTE-Cat.1、LTE-eMTC， NB-IoT三種標準，其中NB-IoT的速率是最慢的，eMTC次之，Cat.1最快（也就5Mbps）。

上述三種制式中，LTE-Cat1 不需要運營商更換設(shè)備，可以復(fù)用傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，相比于NB-IoT和2G模組，LTE Cat.1相擁有網(wǎng)絡(luò)覆蓋度好、速度快和延時低等優(yōu)勢，且與國內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)非常匹配，能被廣泛應(yīng)用于對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度有需求的應(yīng)用場景。在5G網(wǎng)絡(luò)營收沒有起量之前，LTE-Cat1 非常受運營商歡迎。與之相對的是，基于5G的NB-IOT 及eMTC由于需要硬件投入，且網(wǎng)絡(luò)覆蓋性及產(chǎn)品成熟性均不及LTE-Cat1。

基于非蜂窩的連接技術(shù)包括LoRa，SigFox及Chirp-IOT等，其中LoRa是美國Semtech公司所主導(dǎo)的技術(shù)，在國內(nèi)外擁有廣泛市場。Sigfox是法國公司所主導(dǎo)的一項低功耗廣域組網(wǎng)技術(shù)，在歐洲擁有廣泛市場。Chirp-IOT是一項國產(chǎn)的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù)，2020年即將試商用。

在上述連接方式中，基于公網(wǎng)的數(shù)據(jù)需要先發(fā)送運營商的網(wǎng)絡(luò)中，然后客戶從其服務(wù)器下載，這種以運營商為中心的管理模式對于企業(yè)的數(shù)據(jù)安全存在極大的挑戰(zhàn)，不少企業(yè)期望建立私有網(wǎng)絡(luò)以確保企業(yè)數(shù)據(jù)安全，因此基于LoRa、Chirp-IOT等非蜂窩自主組網(wǎng)技術(shù)存在很大優(yōu)勢，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施過程中將占有相當份額。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與新零售信息系統(tǒng)

隨著線上銷售興起，新零售行業(yè)也在進行信息技術(shù)革命，大量新技術(shù)比如電子貨架標簽，無感支付，智能配送等正在蓬勃發(fā)展，其中電子貨架標簽技術(shù)是新零售行業(yè)最底層的基礎(chǔ)設(shè)施，運用電子價簽技術(shù)可以替換傳統(tǒng)的人工手動修改價格，速度快、效率高，同時大幅減少出錯概率，加上其他輔助定位等功能，可以提高新零售行業(yè)的運營效率，在國外呈快速發(fā)展趨勢，據(jù) MarketsandMarkets報導(dǎo)，全球電子貨架標簽市場2023年將達140億美元。2017至2023年間，市場還將以24%的復(fù)合年增長率增長，且亞太地區(qū)將成為快速發(fā)展地區(qū)之一，市場潛力巨大。

電子貨架標簽系統(tǒng)(簡稱ESL)，是一種放置在貨架上、可替代傳統(tǒng)紙質(zhì)價格標簽的電子顯示裝置，它為零售商帶來的利益非常明顯：

首先修改價格工作變的簡單，節(jié)省了日益昂貴的人工費用，ESL提供了便利的變價環(huán)境，超市可以進行更多的促銷來提升銷量;

其次貨架與收銀價格一致降低了政府價格監(jiān)管的風險，同時也滿足顧客得到精確價格的愿望。

整個新零售的管理系統(tǒng)中，云平臺與門店之間可以采用以太網(wǎng)連接或4G通信連接，門店內(nèi)部ESL平臺與電子貨架標簽之間通信系統(tǒng)可以是2.4GHz定制化協(xié)議或者藍牙，手持PAD與標簽之間可以是近場NFC通信，不同的通信方式滿足不同場景需求，構(gòu)建一個完整的零售管理系統(tǒng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還與5G 自動駕駛、遠程醫(yī)療、AR/VR之類技術(shù)有關(guān)聯(lián)，鑒于這類介紹已經(jīng)很多，本文不再贅述。

總 結(jié)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，其中無線通信技術(shù)占有一席之地，將應(yīng)用場景與通信技術(shù)緊密結(jié)合，挖掘其中的市場應(yīng)用價值是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)拓展過程中需要考慮的重要因素。

鳴謝：本文作者楊豐林（上海磐啟微電子有限公司副總經(jīng)理），如需轉(zhuǎn)載或者采用本文的內(nèi)容，需獲得原作者的許可