情报在第3部分:边缘节点通信

连接工业机器可以感知信息的广泛用于制造工业物联网的关键决策(IIoT)。一个传感器在一个边缘节点可以空间远离任何数据聚合点。它必须通过一个网关连接,连接边缘数据网络。

传感器形式的前端边缘IIoT生态系统。测量感知信息转化为可量化的数据,如压力、位移或旋转。数据只能过滤连接节点之外的最有价值的信息进行处理。低延迟连接允许关键决策一旦关键数据是可用的。

意义上,测量、解释、连接

边缘节点通常必须连接到一个网络,通过有线或无线传感器节点(WSN)。数据完整性仍然在这个块信号链的关键。最优感知和测量数据是没有价值的,如果交流是不一致的,丢失或损坏。理想情况下,一个健壮的通信协议将被设计作为一个深谋远虑在系统架构设计。最好的选择将取决于连接要求:范围、带宽、功率、互操作性、安全性和可靠性。

连接设备

工业有线通信中发挥关键作用的鲁棒性是至关重要的,如以太网/ IP连接,KNX,大理,PROFINET, ModbusTCP。深远的传感器节点可以使用无线网络通信网关,然后依靠有线基础设施。相对较少的连接物联网节点将只使用有线通信的大部分这些设备将连接无线网络。有效IIoT连接策略使传感器位于任何有价值的信息可以被感知,不仅现任通信和电力基础设施驻留的地方。

传感器节点必须有一个与网络通信的方法。以太网往往主宰了有线领域IIoT框架地图更高级别的协议在这种类型的连接。100 Gbps以太网实现的范围从10 Mbps。高端一般目标的骨干网络链接云中的服务器农场。¹

慢速度KNX操作在一个扭曲的铜等工业网络对使用微分信号和一个30 V供应总带宽为9600个基点。而限制数量的每段地址(256)可以支持,解决可以支持65536台设备。最大分段长度与选项有1000线中继器支持多达4段。

工业无线网络的挑战

当考虑采用何种通信和网络技术,无线系统IIoT设计师面临许多挑战。因此,以下约束应在举行高层审查:

• 范围
• 间歇和连续的连接
• 带宽
• 权力
• 互操作性
• 安全
• 可靠性

范围

描述数据的距离范围传播IIoT设备连接到网络。短程个人区域网络(PAN)范围是以米可以调试设备的意义/祝福。一个局域网(LAN)数百米可用于自动化传感器安装在同一大楼。广域网(WAN)以公里,和它的应用程序包括农业传感器安装在一个大农场。

图1所示。短距离无线连接。

网络协议的选择应该匹配所需的范围IIoT用例。例如,一个4 g手机网络的复杂性和权力是不合适的室内局域网应用程序操作在数十米。当传输数据所需的范围提出了挑战,边缘计算可以是一个可行的选择。执行数据分析在边缘节点,而不是其他地方的移动数据进行处理。

无线电波传播遵循平方反比定律的功率密度。信号功率密度正比于距离的平方反比无线电波旅行。随着传播距离是翻了一倍,无线电波只保留四分之一的原始力量。每增加6 dBm的输出功率传输双打的可能范围。

在理想的自由空间,平方反比定律影响传输距离是唯一的因素。然而,现实世界的范围可以降解障碍如墙、栅栏、和植被。空气湿度可以吸收射频能量。金属对象可以反射无线电波,导致二次信号在不同的时间到达接收机,并创建相消干涉作为一个额外的功率损耗。

无线电接收机灵敏度将决定的最大信号路径损耗,可以实现。例如,在2.4 GHz工业科学和医学(ISM)乐队,接收机灵敏度最低是-85 dBm。射频辐射器能量向各个方向均匀传播形成一个球体(= 4πr²),其中R是距离从发射机到接收机在米。无线功率损耗(FSPL)成正比的平方发射机和接收机之间的距离和无线电信号频率的平方基于Friis传输方程。²

Pt =发射功率在瓦在距离R和S =权力。

在公关=接收功率瓦。

λ(传输波长在m) = c(光速)/ f (Hz) = 3×108 (m / s2) / (Hz)或300 / f (MHz)

在f =传播频率。

需要考虑到已知的传输频率和距离,FPSL可以计算的传输和接收感兴趣的。预算需要的链接形式方程1。

带宽和连接

带宽是可以传输的数据速率在一个特定的时间。它限制了最大速率数据可以从IIoT传感器节点收集和下游传播。考虑这些因素:

• 每个设备产生的数据量
• 部署的节点数量和聚集在一个网关
• 可用带宽需要支持高峰时期的破裂发送的数据源源不断或间歇性爆发

网络协议的数据包大小应该与所传输的数据的大小。这是低效与空数据发送包垫。然而,也有开销在分裂更大量的数据在许多小数据包。IIoT设备并不总是连接到网络。他们会定期连接为了节约用电或带宽。

权力和互操作性

如果一个IIoT节约用电设备必须使用电池,该设备可以进入睡眠模式,不管它是闲置的。设备的能源消耗在不同的网络加载条件下可以建模。这可以帮助确保设备的电源和电池容量匹配传输必要data.3所需的消费

互操作性的数组不同可能的节点在网络可以是一个挑战。采用标准的有线和无线协议一直保持互操作性的传统方法在互联网。新IIoT标准化流程可以是一个难以跟上快速发布的新技术。考虑IIoT周围生态系统最好的技术,适合手头的解决方案。如果技术被广泛采用,有更高的概率长期互操作性。

安全

IIoT系统在网络安全中三个重要方面:机密性、完整性和真实性。机密性依赖于网络数据只呆在已知的框架内不允许数据被破坏或拦截从外部设备。剩余数据完整性取决于消息内容一模一样传播,没有改变,减去,或添加信息。4、5的真实性依靠接收数据从一个预期,独家来源。错误与恶搞的一个例子是一个虚假的身份验证。

安全的无线节点连接到一个未加密的网关是一个漏洞洞并提供潜在的漏洞。数据的时间戳可以帮助识别如果任何信号一直跳,转播的侧槽。时间戳也可以用来正确地重新组装的订单时间关键数据在无数的同步传感器。

安全支持aes - 128加密可以实现在内部IEEE 802.15.4和AES-128/256 IEEE 802.11提供服务。密钥管理、cryptographic-quality随机数生成(RNG)和网络访问控制列表(acl)都有助于提高通信网络的安全屏障。

频段

物联网无线传感器可以使用授权频段内的细胞基础设施,但这些可以饿设备供电。车辆远程信息处理是一个应用程序示例,其中移动信息收集和短程无线通信并不是一个可行的选择。然而,许多其他低功率工业应用会占据ISM波段的未经授权的频谱。

内部IEEE 802.15.4低功率无线提供服务标准可以适用于许多工业物联网的应用程序。操作在2.4 GHz, 915 MHz和868 MHz ISM乐队,它提供了27个总渠道多个射频通道跳跃。物理层支持授权频段取决于全球位置。欧洲提供了一个600 kHz 0 868 MHz,而北美10 2 MHz乐队集中在915 MHz。全球操作可在5 MHz通道11通过通道26日在2.4 GHz的乐队。

蓝牙®低能量(bie)提供了一个显著降低电力解决方案。祝福不是理想的文件传输,而是更适合小块的数据。一个主要优点是它的普遍性竞争技术由于其广泛的集成到移动设备。蓝牙4.2核心规范运行在2.4 GHz的ISM波段范围从50米到150米和1 Mbps的数据速率使用高斯频移调制。

表1。内部IEEE 802.15.4频段提供服务和渠道化

当决定最佳频带IIoT解决方案,2.4 GHz的利弊ISM解决方案应考虑:

优点:

• License-free在大多数国家
• 相同的所有地理市场解决方案
• 带宽83.5 MHz允许独立的渠道在高数据率
• 100%的关税循环是可能的
• 小型天线相比,乐队低于1 GHz

缺点:

• 得到相同的输出功率,短比低于GHz范围
• 无处不在的扩散创造了许多干扰信号

通信协议

一组规则和标准格式数据和控制数据交换通信系统中使用。开放系统互连(OSI)模型把通信分为功能层更容易的实现可伸缩可互操作的网络。OSI模型实现了七层:物理(体育)、数据链路、网络、交通、会议、报告和应用程序层。

图2。OSI和TCP / IP模型。

内部IEEE 802.15.4和802.11 (wi - fi)标准提供服务驻留在媒体访问控制(MAC) datalink子层和PHY层。802.11访问点位于靠近每个应该使用一个不重叠的通道干扰的影响降到最低(图3)。使用的调制方案802.11 g是正交频分复用(OFDM),一个更复杂的方案比内部IEEE 802.15.4描述提供服务。

链路层提供无线电信号的转换波位,反之亦然。这一层负责数据的框架为可靠的通信和管理访问感兴趣的广播频道。

网络层路由和地址数据通过网络。在这一层,互联网协议(IP)提供了一个IP地址和IP数据包从一个节点到另一个。

上运行的应用程序会话两端之间的网络传输层生成通信会话。这允许在一台设备上运行多个应用程序,每个使用自己的通信通道。连接设备在互联网上主要使用传输控制协议(TCP)作为传输协议的偏好。

应用程序层数据格式和管理优化的流程节点传感器的特定的应用程序。一个流行的应用程序层协议在TCP / IP栈是超文本传输协议(HTTP),通过互联网传输数据了。

FCC部分15规则限制的有效功率发射机在ISM波段36 dBm。异常提供一个固定的点对点连接的2.4 GHz乐队使用24 dBi天线增益和传输能量24 dBm总附近48 dBm。应该能够传输能量至少1 mW。的数据包出错率< 1%,接收机灵敏度应该能够接受-85 dBm在2.4 GHz乐队- -92 dBm的868 MHz和915 MHz频段。

图3。全球内部IEEE 802.15.4体育频道提供服务11通过通道26和IEEE 802.11 g通道1频道14。

棕色地带与格林菲尔德

IIoT意味着宽与许多有线和无线连接标准,让它发生。然而,对于一个安装到现有网络系统,可能没有那么丰富的选项。新的IIoT解决方案可能需要适应适应网络。

格林菲尔德的安装是一个从头开始创建一个全新的环境中。不遗留设备规定约束。例如,当一个新工厂或仓库建成,IIoT解决方案框架内可以考虑计划的最佳性能。

棕色地带部署是指IIoT网络安装在一个现任的基础设施。挑战变得更加突出。遗留的网络可能不理想,然而新的IIoT系统必须与任何安装基础的共存干扰射频信号。开发人员继承硬件、嵌入式软件和以前的设计决策在一个受限的上下文。开发过程因此变得艰难,需要细致的分析、设计和testing.6

网络拓扑

内部IEEE 802.15.4协议提供服务提供了两种设备类。全功能设备(FFD)可用于任何拓扑与其他设备作为锅协调员。减少功能设备(RFD)是有限的星型拓扑结构,因为它不能成为一个网络协调器。它只会谈到网络协调员在简单的实现内部IEEE 802.15.4。提供服务几个网络模型存在,这取决于应用程序:点对点,明星,网格和多次反射。

图4。网络模型:点对点、明星、网格和多次反射拓扑。

一个对等网络链接两个节点在一起轻松但不利用任何情报延长网络范围。这提供了快速安装,但没有冗余,如果一个节点是无法函数。

星型模型总径向延伸范围两个节点的传输距离,它使用一个FFD主与几个RFD沟通。然而,每个RFD仍只能交流路由器。它可以容纳一个单点故障,只要不是FFD。

网状网络允许任何节点通信或通过任何其他节点跳。这提供了冗余通信路径来加强网络的力量。一个聪明的网状网络可以通过最少的啤酒花减少路由通信和延迟。一个特别的自组织拓扑适应随着环境的变化通过允许节点内到达或离开网络环境。

可靠性

IIoT客户价值可靠性和安全性得主列表顶部的秩序。组织通常依赖于大型复杂的集群的数据分析可以成为充斥着瓶颈包括数据传输、索引、和提取,以及转换和加载过程。每个边缘节点的有效沟通是至关重要的,防止在下游clusters.5瓶颈

工业环境往往是严厉有效的射频波传播。大,形状不规则,密度金属工厂设备、混凝土、分区,和金属架子都可以创建路径波传播。之后,一波传输天线在各个方向,和“多路径”描述了波被修改的环境传播之前到达接收器。入射波在接收方被分为三个types-reflected,衍射和散射。多路径波经历大小和相位的变化,从而导致复合波与建设性或破坏性的干扰接收机的目的地。

CSMA-CA信道访问

与防撞载波监听多路访问(CSMA / CA)是哪个运营商的数据链路层协议使用传感网络节点。节点试图避免碰撞传输整个数据包的数据时,才感觉到是空闲频道。隐藏节点在无线网络从其他节点的集合。图5显示了一个例子,在遥远的边界范围内可以看到节点访问点“Y”,但可能不会看到一个节点范围的另一端,X或Z.7

图5。隐藏节点X和Z不能直接沟通。

握手使用RTS / CTS实现虚拟载波感知与短请求发送和明确为无线局域网发送消息。虽然802.11主要依靠物理载体传感、内部IEEE 802.15.4使用CSMA / CA提供服务。克服隐藏节点问题,RTS / CTS握手配合实现CSMA / CA。如果允许,增加隐藏节点传输功率可以延长其观测距离。

协议

为了提高带宽,先进的调制方案调整阶段,振幅或频率。正交移相键(QPSK)是一个使用四个阶段编码调制方案2比特/符号。正交调制使用混合架构,提供了一个相移来减少信号带宽要求。二进制数据被细分为两个连续的比特和调制的正交阶段ωc载体,sinωct, cosωct。

图6。抵消QPSK调制器结构。

内部IEEE 802.15.4收发器提供服务操作在2.4 GHz的ISM波段采用QPSK的物理层变种,称为抵消正交相移编码,O-QPSK或交错正交相移编码。单个数据点(Tbit)抵消时间常数引入位流。这抵消了一半的象征,在时间的数据,避免同时在波形转换节点X和y连续阶段步骤不超过±90°。一个缺点是,O-QPSK不允许微分编码。然而,它确实消除相干检测的具有挑战性的技术任务。

内部调制中使用IEEE 802.15.4减少了符号率提供服务来发送和接收数据。O-QPSK需要¼符号率和比特率的同时传输两个编码比特。这允许使用62.5 ksymbols /秒250 kbps的数据速率。

可伸缩性

并不是所有的物联网节点需要外部IP地址。专用通信、传感器节点应该有能力对一个唯一的IP地址。尽管IPv4支持32位寻址,几十年前,很明显可以看出解决只有43亿设备不支持互联网的增长。IPv6地址大小增加到128位支持240涧全球唯一的地址(卦)设备。

映射数据和管理IPv6地址从两个不同的域和一个IEEE802.15.4网络设计提出了挑战。6 lowpan定义封装和报头压缩机制,允许IPv6数据包发送和接收在IEEE 802.15.4-based网络。线程是一个标准的例子基于closed-documentation,版权免费协议运行6 lowpan实现自动化。

模拟设备提供了一个选择的无线收发器以及有线协议ADuCx家族的微控制器和黑鳍白鲑需求方的家庭。低功率的ADRF7242内部支持IEEE 802.15.4与提供服务可编程数据速率和调制方案使用全球的ISM波段50 kbps到2000 kbps。它实现对FCC和ETSI标准的遵循。的ADRF7023在全球运营license-free ISM乐队在433 MHz, 868 MHz和915 MHz 1 kbps 300 kbps。模拟设备提供了一个完整的系统开发平台设计一个自定义的解决方案。快速平台是一个家庭的模块和开发工具嵌入工业网络协议。SmartMesh®无线传感器芯片和获准PCB与网状网络软件模块,使传感器在艰难沟通工业物联网环境。

图7。相变±90°(左)(右)与I / Q O-QPSK选项。

引用

1 Brijesh Kumar。“物联网连接选项(物联网)。“物联网日报》2015年3月,。

2克里斯·唐尼。”了解无线范围计算电子设计,2013年4月。

3鲍勃•卡施尼亚。”工业物联网(IIoT)的好处控制工程,2015年6月。

4快乐维斯和罗斯。”工业物联网无线传感器网络2015年,“电子设计。

5罗斯。”SmartMesh IP无线网状网络扩展到工业物联网网络地址传感器网络,2017年1月。

6 Sanjay Manney。”工业物联网所需的严格要求EETimes 2014。

7 Rana Basheer。”高密度无线传感器网络:工业物联网的未来2016年7月。”LinkedIn.com。

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