工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線化趨勢(shì)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)是個(gè)熱門(mén)的跨學(xué)科話題，在“新基建”背景下尤為重要。從紛繁復(fù)雜的海量信息里抽絲剝繭以期窺探行業(yè)未來(lái)5～10年的發(fā)展趨勢(shì)，行業(yè)專(zhuān)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(chǎng)景”和“創(chuàng)新”為路徑做初步剖析，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

1 第三次工業(yè)革命的數(shù)次創(chuàng)新浪潮

以電子計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)為核心的第三次工業(yè)革命按照芯片運(yùn)轉(zhuǎn)“場(chǎng)景”來(lái)劃分，大致可以拆解為：中心計(jì)算和大型機(jī)、個(gè)人計(jì)算和家電、移動(dòng)計(jì)算和手機(jī)、云計(jì)算和人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案和邊緣計(jì)算等五次浪潮。

第三次工業(yè)革命的五次浪潮如圖1所示。

圖1 第三次工業(yè)革命的五次浪潮

通過(guò)對(duì)第三次工業(yè)革命的5個(gè)“場(chǎng)景”細(xì)分，可以發(fā)現(xiàn)中心計(jì)算、個(gè)人計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算再到云計(jì)算的前四次浪潮在“to C”領(lǐng)域遵循了“數(shù)據(jù)化—有線網(wǎng)絡(luò)化—無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化—智能化”的4個(gè)循序漸進(jìn)的步驟，最終達(dá)成“人與人”無(wú)處不在的連接（及互聯(lián)網(wǎng)）并實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式的發(fā)展。由此可以預(yù)見(jiàn)在“to B”領(lǐng)域也會(huì)遵循相似的路徑并最終實(shí)現(xiàn)“物與物”無(wú)處不在的連接（及物聯(lián)網(wǎng)），這就是“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”。雖然最近“第四次工業(yè)革命”的提法非常流行，但是筆者傾向于把“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”看作是第三次工業(yè)革命中“to B”創(chuàng)新的“二次啟動(dòng)”。參照對(duì)過(guò)往工業(yè)革命啟動(dòng)的分析，新技術(shù)突破是新工業(yè)革命的前提。目前，半導(dǎo)體、物聯(lián)網(wǎng)和電池材料等新技術(shù)還有很多棘手問(wèn)題有待解決，如功耗和成本等，而工業(yè)生產(chǎn)需要更高效能的技術(shù)。

2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線化趨勢(shì)

從“to B”角度看，如果說(shuō)第三次工業(yè)革命第一次浪潮的電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)（ENIAC）打開(kāi)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“數(shù)據(jù)化”的第一步，第二到四次浪潮的微控制器芯片（MCU）使“數(shù)據(jù)化”逐漸普及、使“有線網(wǎng)絡(luò)化”初現(xiàn)成效的話，那么第五次浪潮就必須解決“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化-智能化”的問(wèn)題，否則“萬(wàn)物互聯(lián)”和“新工業(yè)革命”將不容易實(shí)現(xiàn)。第三次工業(yè)革命無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化和智能化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 第三次工業(yè)革命無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化和智能化趨勢(shì)

關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化，雖然部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)部署了許多有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可以完成基本的信息采集和反饋，但要進(jìn)一步提升生產(chǎn)和管理效率會(huì)遇到幾個(gè)困難：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)碎片化（包括EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus、DeviceNet、CANopen、RS 232、RS 485 等）、布線改造時(shí)走線復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)路由容量擴(kuò)展受限、以及各種改造動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致停機(jī)維護(hù)等。

而以NB-IoT、ZETA和LORA為代表的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（Low-Power Wide-Area，LPWA）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電池供電的大范圍和高密度的無(wú)線部署，配合低功耗傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)已有工業(yè)場(chǎng)景的快速升級(jí)。很多場(chǎng)景都可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)安裝，未來(lái)升級(jí)再加入無(wú)線取電和喚醒技術(shù)還可以省去電池。這些創(chuàng)新的技術(shù)組合有效地解決了有線網(wǎng)絡(luò)改造的痛點(diǎn)。有線網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 有線網(wǎng)絡(luò)痛點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)

參考HMS公司的分析報(bào)告，無(wú)線技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)2018年和2019年新增節(jié)點(diǎn)數(shù)量都增長(zhǎng)了30%，市場(chǎng)份額都達(dá)到6%。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)2018年全球新增節(jié)點(diǎn)數(shù)市場(chǎng)份額如圖4所示；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)2019年全球新增節(jié)點(diǎn)數(shù)市場(chǎng)份額如圖5所示。

圖4 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)2018年全球新增節(jié)點(diǎn)數(shù)市場(chǎng)份額

圖5 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)2019年全球新增節(jié)點(diǎn)數(shù)市場(chǎng)份額

3 適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

目前主流無(wú)線技術(shù)有蜂窩組網(wǎng)和自組網(wǎng)兩大類(lèi)，它們分別屬于兩個(gè)流派。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)（Cellular network）以移動(dòng)終端傳輸速率提升為核心目標(biāo)，從1983年到現(xiàn)在經(jīng)歷了1G到5G的發(fā)展，大概5～7年提升一代，數(shù)據(jù)傳輸能力從文本到圖片和視頻這直接導(dǎo)致了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的爆發(fā)。但是由于蜂窩網(wǎng)技術(shù)功耗偏高，在工業(yè)場(chǎng)景無(wú)法派專(zhuān)人每天給設(shè)備充電（手機(jī)場(chǎng)景實(shí)際是由用戶自己負(fù)責(zé)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(wú)線通信的效能喪失大半，到目前為止工業(yè)場(chǎng)景還普遍部署各種有線通信技術(shù)。

另一種無(wú)線通信技術(shù)流派是非蜂窩自組網(wǎng)技術(shù)，這個(gè)類(lèi)別雖然不能保證無(wú)線IoT終端移動(dòng)中的高速率，但是非常適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的固定場(chǎng)景，其主要包含下面4種流行技術(shù)類(lèi)型：

（1）WiFi以固定場(chǎng)景高傳輸速率為目標(biāo)，犧牲功耗和距離；

（2）普通藍(lán)牙技術(shù)以固定場(chǎng)景低功耗和中等傳輸速率為目標(biāo)，一般傳輸距離50 m以?xún)?nèi)；

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

（4）LPWA以長(zhǎng)距離、大容量和低功耗為目標(biāo)，犧牲速率。

其中LPWA技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線抄表、物業(yè)管理、設(shè)備設(shè)施監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外的關(guān)聯(lián)芯片也非常豐富，TI的FSK微功率無(wú)線芯片、Semtech的LORA芯片和廣芯微電子2020年1季度發(fā)布的ZETA芯片UM0068都屬于LPWA技術(shù)的代表產(chǎn)品。

還有一種脫胎于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的跨界技術(shù)NB-IoT，它在兼顧部分移動(dòng)性特征前提下極大優(yōu)化了固定場(chǎng)景的睡眠功耗，使得這種技術(shù)也可以在數(shù)千毫安時(shí)電池的驅(qū)動(dòng)下獨(dú)立工作數(shù)年時(shí)間，也可以被列入LPWA領(lǐng)域。不同的是這種技術(shù)的網(wǎng)關(guān)（或者叫基站）只能由電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)部署和運(yùn)營(yíng)，使用該技術(shù)的用戶需要向?qū)?yīng)電信運(yùn)營(yíng)商支付“流量費(fèi)”（類(lèi)似手機(jī)話費(fèi)）。

適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較如圖6所示。

圖6 適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

4 實(shí)時(shí)的易于系統(tǒng)集成的大容量LPWA

綜合考慮物流、新零售、智慧工廠和養(yǎng)殖廠等半徑200～500 m的工業(yè)場(chǎng)景數(shù)字化管理時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)頻繁特點(diǎn)，以及低功耗長(zhǎng)待機(jī)需求，普遍需求包括。

（1）物聯(lián)網(wǎng)終端超低功耗待機(jī)電流，以保證3～5年的待機(jī)而無(wú)需充電或外接電線，從而實(shí)現(xiàn)隨處部署。

（2）物聯(lián)網(wǎng)終端峰值電流控制在20 mA以?xún)?nèi)時(shí)依然可以用中等速率達(dá)成200～500 Mb/s的信息收發(fā)，以維持紐扣電池供電，從而保證較小體積（紐扣電池標(biāo)準(zhǔn)峰值供電電流20 mA，雖然部分優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品能短時(shí)間輸出30～50 mA的電流，但是這需要一個(gè)較長(zhǎng)回復(fù)時(shí)間后才能做下一次大電流放電，且對(duì)電池壽命有不良影響）。

（3）網(wǎng)關(guān)側(cè)以星型組網(wǎng)為主架構(gòu)，優(yōu)化中心網(wǎng)關(guān)收發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)整體容量，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)大容量傳感器接入的需求（不排除結(jié)合中繼小網(wǎng)關(guān)做補(bǔ)盲覆蓋）。

（4）網(wǎng)關(guān)側(cè)把常用工業(yè)傳感器信息固化到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并把該結(jié)構(gòu)開(kāi)放給IT系統(tǒng)集成商，便于工業(yè)IT專(zhuān)家做快速系統(tǒng)集成，讓工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型更加可靠和便利。

（5）網(wǎng)關(guān)側(cè)補(bǔ)充空間網(wǎng)格化信標(biāo)錨點(diǎn)，幫助系統(tǒng)集成商快速建立一套具有一定精度的實(shí)時(shí)室內(nèi)定位系統(tǒng)。

圖7 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)無(wú)線技術(shù)的需求

總體上，LPWA加入“實(shí)時(shí)”和“易于系統(tǒng)集成”等創(chuàng)新點(diǎn)，以及實(shí)時(shí)的易于系統(tǒng)集成的大容量LPWA協(xié)議，會(huì)更加適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。

5 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線通信技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程是一個(gè)“場(chǎng)景定義”的創(chuàng)新過(guò)程。針對(duì)場(chǎng)景需求，在基礎(chǔ)技術(shù)上持續(xù)改進(jìn)升級(jí)：從分立器件到集成化芯片；從簡(jiǎn)單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)酱笠?guī)模組網(wǎng)通信；從50 m以?xún)?nèi)的短距離通信擴(kuò)展到200 m，500 m甚至數(shù)千米范圍內(nèi)通信。這是一個(gè)以對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景恰當(dāng)覆蓋為目標(biāo)循序漸進(jìn)的創(chuàng)新過(guò)程。如果說(shuō)蜂窩網(wǎng)絡(luò)5G技術(shù)是通過(guò)推高無(wú)線通信速率把用戶需求拉升到更高維度的革命性技術(shù)的話，那么以LPWA為代表的自組網(wǎng)技術(shù)就有可能補(bǔ)位成為一種適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術(shù)。