2023年11月13日

工业物联网几种主流无线技术对比

作者 admin

大规模生产场景涉及大量设备、生产应用系统、工人和产品。 稳定、高速、易于管理的无线网络是基本要求。

工业物联网无线通信技术主要分为两类:一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术;另一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术。 另一种是LPWAN(低功耗广域网),即低功耗广域网通信技术。 LPWAN分为两类:一类是LoRa、SigFox等工作在免授权频谱的技术; 另一种是3GPP支持的、工作在授权频谱上的2/3/4G蜂窝通信技术,如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

不同的无线技术在组网、功耗、通信距离、安全性等方面存在差异,因此有不同的适用场景。 例如,Sub-1GHz技术适合传输距离长、电池供电、鲁棒性强的应用环境; 蓝牙适合速度高,传输信息较多,通过手机进行控制; Thread、Wi-Fi等技术也各有优缺点。 适用情况。

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工业4.0应用场景中的无线连接

值得注意的是,新的无线技术标准也在不断涌现。 例如,作为传统WiFi技术的扩展和补充,Wi-Fi HaLow可以提供安全、远距离、低功耗和高度优化的无线连接的独特组合,大大提高工厂自动化的管理效率。

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工业物联网中不同无线技术的性能比较

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工业物联网中不同无线技术的传输速率和距离

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工业物联网中不同无线技术的接收效率和范围

下面列出了工业物联网中最常见的无线技术:

ZigBee、蓝牙、Lora、NB-IoT、Sigfox 和最新的 WiFi Halow 技术。

ZigBee技术

ZigBee于2003年正式提出,它的出现是为了弥补蓝牙通信协议复杂度高、功耗高、距离短、网络规模小等缺点。 这个名字取自蜜蜂。 蜜蜂通过飞行和曲折翅膀与同伴交流花粉的位置。 这样,他们就在群体中形成了一个沟通网络。

ZigBee可以工作在三个频段:868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz。 最后一个频段是全球通用的,有 16 个频道。 它是一个免费且免申请的无线电频段。 三个频段的传输速率分别为20kbps、40kbps和250kbps。

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ZigBee 是一种低成本、低功耗、短距离无线通信标准。 它是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络规范。 它具有以下特点:

功耗低:由于ZigBee的传输速率较低,发射功率仅为1mW,并且采用睡眠模式,ZigBee设备非常省电。 据估计,ZigBee设备仅使用两节AA电池即可持续使用6个月至2年,这是其他无线设备无法企及的。

成本低:ZigBee模块的初始成本约为6美元,预计很快将降至1.5~2.5美元,且ZigBee协议无专利。

复杂度低:ZigBee协议的大小一般为4~32KB,而蓝牙和WiFi一般超过100KB。

短延迟:通信延迟和睡眠状态的激活延迟都很短。 典型的搜索设备延迟为 30ms,睡眠激活延迟为 15ms,活动设备通道访问延迟为 15ms。 因此,ZigBee技术适合对时延要求严格的无线控制应用(如工业控制场合等)。

网络容量大:星型结构的ZigBee网络最多可容纳254个从设备和1个主设备。 一个区域内最多可以同时存在 100 个 ZigBee 网络。 一个网络中最多可以有65000个节点连接,网络组成灵活。

可靠:采用防冲突策略,为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙,避免发送数据时的竞争和冲突。 MAC层采用完全确认的数据传输模式,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。 如果传输过程中出现问题,可以重新发送。

安全性:ZigBee提供基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性校验功能,支持鉴权认证,采用AES-128加密算法。 每个应用可以灵活地确定其安全属性。

ZigBee虽然具有低功耗、低成本、低速率、高容量、电池寿命长等优点,但也有缺点,即抗干扰性差、通信距离短,且ZigBee协议不开源。

蓝牙技术

蓝牙技术最早始于1994年,由电信巨头爱立信开发。 它是两个设备之间进行无线短距离通信的最简单、最方便的方法。 可以实现固定设备、移动设备和构建个域网之间的短距离通信。 距离数据交换。 蓝牙技术广泛应用于手机、PDA等移动设备、PC、GPS设备以及大量无线外设(蓝牙耳机、蓝牙键盘等)。

蓝牙采用跳频技术,通信频段为2.402GHz~2.480GHz。 到目前为止,已经更新了10个版本,分别是蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0。 通信半径从几米延伸到数百米。

与之前的蓝牙4.2甚至更老的版本相比,蓝牙5.0具有以下特点:

更快的传输速度:速度上限为2Mbps,比之前的4.2LE版本快了一倍。

更长的有效距离:有效距离是之前版本的4倍。 理论上,蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300米。

导航功能:增加了更多的导航功能,可以用作室内导航信标或类似的定位设备。 结合WiFi,可实现精度小于1米的室内定位。

更多传输功能:随着更多数据传输功能的加入,硬件制造商可以通过蓝牙5.0创建更复杂的连接系统,例如Beacon或位置服务。

更低的功耗:功耗大幅降低,人们在使用蓝牙时再也不用担心待机时间的问题。

蓝牙技术最大的优点是不依赖外部网络、速度快、功耗低、安全性高。 只要你有手机和智能设备,就可以保持稳定的连接,走到哪里都可以连接。 其缺点是不能直接连接云端,传输速度比较慢,组网能力比较弱,网络节点少,不适合多点控制。

LoRa技术

LoRa是美国Semtech公司开发和推广的基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输解决方案。 它为用户提供了一个简单的系统,可以实现长距离、长电池寿命、大容量,进而扩展传感器网络。 目前,LoRa主要运行在全球免费频段。 工作频率在美国为915MHz,在欧洲为868MHz,在亚洲为433MHz。 其典型范围为 2 公里至 5 公里,最大距离可达 15 公里,具体取决于位置和天线特性。

LoRa技术具有以下特点:

功耗低:通讯距离可达15公里,接收电流仅10mA,休眠电流200nA,延长电池使用寿命。

大容量:在城市密集环境下可覆盖约2公里,在密度较低的郊区可达10公里。

支持测距定位:LoRa的距离测量是基于信号的空中传输时间,定位是基于多点(网关)和一点(节点)之间的空间传输时间差的测量。 定位精度可达5m(假设范围10km)。

因此,LoRa技术非常适合需要低功耗、远距离、大量连接、位置跟踪的物联网应用,例如停车、车辆跟踪、智慧工业、智慧城市、智慧社区等。

LoRa的缺点是传输速率慢、通信频段易受干扰、芯片供应被Semtech垄断、自下而上的开发周期长、自组网的网络机制相对复杂,所以一般企业不愿意研究LoRa技术,更愿意购买模块直接使用。

窄带物联网技术

NB-IoT(窄带物联网)技术起源于英国初创公司Neul(2014年被华为收购),专注于低功耗、广覆盖的物联网(IoT)市场。

NB-IoT 不使用标准 LTE 的完整 10MHz 或 20MHz 带宽,而是使用包含 12 个 15kHz LTE 子载波的 180kHz 宽资源块,数据速率在 100kb/s 至 1Mb/s 范围内。

NB-IoT使用授权频段,可以通过带内、保护带或独立载波三种方式部署,与现有网络共存。

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NB-IoT作为一种应用于低速率业务的技术,其主要优点有:

低功耗:NB-IoT牺牲速度来换取更低的功耗。 通过简化的协议和更合适的设计,终端的待机时间得到大幅提升。 一些NB终端的待机时间据说可达10年!

成本低:与LoRa相比,NB-IoT不需要重新建设网络,射频和天线基本可以重复利用。 低速率、低功耗、低带宽也给NB-IoT芯片和模块带来低成本优势,模块价格不超过5美元。

海量连接:与现有无线技术相比,在相同基站的情况下,NB-IoT 可以提供 50 至 100 倍的接入点数量。 一个扇区可支持10万个连接,支持低时延敏感度、超低设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。

覆盖范围广:NB-IoT室内覆盖能力强。 在相同频段下,NB-IoT相比现有网络有20dB的增益,相当于将覆盖面积扩大了100倍。

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尽管NB-IoT具有诸多优势,但其低速数据传输、隐私安全、IT系统转换时间等问题将限制其发展。

西格福克斯科技

Sigfox是法国Sigfox公司采用超窄带(UNB)技术构建的无线网络。 它既是一种无线技术,也是一种网络服务。

Sigfox 在 868MHz 和 902MHz ISM 频段运行,消耗非常窄的带宽或功耗。

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Sigfox 无线电使用一种称为超窄带 (UNB) 调制的技术,偶尔会以低数据速率传输短消息。 最大消息长度为 12 字节。 一个节点每天最多可以传输 140 条消息。 由于带宽窄、消息短,除了162dB的链路预算外,还可以实现数公里的长传输距离。 对于只需要发送较小的、不频繁的数据的突发应用程序,Sigfox 是一个很好的选择。

Sigfox 的缺点是发送回传感器/设备的数据(下行链路能力)受到严重限制,并且信号干扰也可能是一个问题。

哈洛科技

连接不稳定、效率低、间歇期一直是WiFi技术困扰的问题。

HaLow是适合工业物联网应用的WiFi新版本,代号802.11ah。 它使WiFi能够应用到更多的地方,例如小型、电池供电的可穿戴设备,也适合部署在工业设施中以及两者之间的应用之间。

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HaLow使用900MHz频段,低于目前WiFi 2.4GHz和5GHz频段,更适合小数据负载和低功耗设备。 美国使用902MHz至928MHz的免许可频段,其他国家使用1GHz以下的类似频段。 虽然大多数WiFi设备在理想条件下只能达到100m的最大覆盖范围,但HaLow使用合适的天线可以达到最远1km的范围,信号更强,不易受到干扰。 HaLow声称传输范围是标准2.4GHz WiFi的两倍,穿墙能力更强。

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HaLow不适合快速数据传输,也不适合网页浏览(这对物联网设备影响不大)。 另外,900MHz属于免授权频段,容易受到干扰。

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工业物联网无线技术参数对比

哪种技术会获胜?

根据市场研究公司IHS Markit的最新报告,在低功耗广域网无线技术中,LoRa和NB-IoT遥遥领先,LTE-M版本的4G蜂窝技术排名第三,其次是Sigfox。

IHS Markit 预测,到 2023 年,NB-IoT 和 LoRa 预计将占所有 LPWAN 链路的 86%。 2023 年这两种技术之间将展开竞争,更多的专用网络将使用 LoRa 和 NB-IoT 成为主要应用。 在公共网络上。

值得一提的是,华为海思目前是NB-IoT芯片的领先供应商,其中90%部署在中国; 排名第二的NB-IoT芯片供应商是台湾联发科(Mediatek),第三大供应商是中国紫光展锐。

Sigfox主要依靠风险投资公司的支持成为全球物联网运营商并保持技术专有。 IHS Markit的调查报告显示,Sigfox 2017年模块出货量不足9000个,市场份额排名第三,远远落后于LoRa和NB-IoT。 IHS Markit 预测,2021 年 Sigfox 的年销售额预计将增长 10 倍,但仍将排名落后于 LoRa 和 NB-IoT。

与此同时,蓝牙联盟和Wi-Fi联盟都用出了自己的大招。 蓝牙5.0改善后的信号覆盖范围据称可以覆盖整个公寓,可与家庭WiFi路由器的数据传输距离相媲美。 HaLow 结合了之前 WiFi 技术和蓝牙的优点。

在工业物联网中,客户需求是多样化的,单一技术无法解决所有客户问题。 不同的无线技术相互竞争,同时又相互补充,因为没有任何一种通信技术能够主宰工业物联网的未来。