無(wú)線(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

盡管有很多關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)將如何改變工廠自動(dòng)化的討論，但沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)將各種“物”連接在一起，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)之間的不兼容?？梢允褂瞄_(kāi)源軟件定義無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在不同的工業(yè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之間建立連接。通過(guò)考察IIoT可以最好地說(shuō)明兼容性問(wèn)題， IIoT是一種應(yīng)用程序子集，所具有的無(wú)處不在的連接性帶來(lái)了巨大的收益。一家領(lǐng)先的通信設(shè)備供應(yīng)商估計(jì)，現(xiàn)在超過(guò)90%以上的工業(yè)機(jī)器仍沒(méi)有連接到任何網(wǎng)絡(luò)。

不兼容的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)現(xiàn)更廣泛互連性的主要障礙是大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有多個(gè)供應(yīng)商。每個(gè)供應(yīng)商可能采用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)IIoT，其中包括采用無(wú)線(xiàn)連接以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，但無(wú)法在無(wú)線(xiàn)鏈路、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議之間實(shí)現(xiàn)互操作性。這些包括Wi-Fi、NB-IoT(也稱(chēng)為Cat-NB1)、LTE MTC Cat M1、遠(yuǎn)程(LoRa)、Sigfox、Ingenu、WirelessHART、Weightless、藍(lán)牙低功耗(BLE)和ZigBee等等。

每種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用案例進(jìn)行選擇。低功率廣域網(wǎng)(LPWAN)方案，如LoRa、NB-IoT和Sigfox，更適合低速率傳輸?shù)拈L(zhǎng)距離鏈路，而通過(guò)Wi-Fi和藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)接入則更受歡迎，但傳輸范圍受限。一種名為HaLow的新型Wi-Fi正加入到混戰(zhàn)中。它使用IP數(shù)據(jù)包和更低的頻率，提供更長(zhǎng)的傳輸距離和更強(qiáng)的穿透力。

不兼容的系統(tǒng)，對(duì)于任何希望將IT系統(tǒng)遷移到工業(yè)4.0的工廠來(lái)講都是障礙，因?yàn)樗赡苄枰鄠€(gè)集線(xiàn)器和網(wǎng)關(guān)來(lái)收集和整理數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。

該圖顯示了Lime SDR軟件定義的無(wú)線(xiàn)電板框圖。 LimeSuite是免費(fèi)的開(kāi)源軟件，用于編程Lime SDR板。圖形用戶(hù)界面驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)環(huán)境允許控制射頻芯片功能。圖片來(lái)源：Lime Microsystems

軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)可以支持各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)，它緊湊、可編程、開(kāi)源、全雙工并支持App應(yīng)用程序，這意味著它可以從應(yīng)用商店下載代碼后進(jìn)行配置。

這種無(wú)線(xiàn)電需要能夠?qū)崿F(xiàn)通信和控制途徑，例如雙收發(fā)器現(xiàn)場(chǎng)可編程射頻(FPRF)裝置和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)芯片。該板通過(guò)USB3.0連接器或PCIe接口插入合適的處理器，該處理器通常是PC裝置。

可以使用SoapySDR項(xiàng)目中的開(kāi)源應(yīng)用程序，啟用運(yùn)行Linux的處理器，該應(yīng)用程序可以“按原樣”使用或按需修改以滿(mǎn)足特定的要求?；赨buntu的開(kāi)源應(yīng)用程序可用于GSM和LoRa，活躍的生態(tài)系統(tǒng)有大量新應(yīng)用程序可用。硬件設(shè)計(jì)人員可以使用板載的英特爾FPGA對(duì)各種無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼;已有可用的開(kāi)源軟件。FPGA還可用于加密，以避免“明文”傳輸數(shù)據(jù)。

開(kāi)源資源的主要優(yōu)點(diǎn)是可以修改功能以滿(mǎn)足應(yīng)用程序的需求。文檔允許軟件設(shè)計(jì)者理解代碼操作。此外，論壇和博客可以回答許多常見(jiàn)問(wèn)題，開(kāi)源社區(qū)可以幫助解決并回答問(wèn)題。軟件工程師可以從下載LoRa文件開(kāi)始，然后在SDR上改進(jìn)系統(tǒng)以支持其它技術(shù)。

各種選項(xiàng)都可用于修改系統(tǒng)。SoapySDR支持獨(dú)立于供應(yīng)商的支持庫(kù)，設(shè)計(jì)人員可以在其中訪問(wèn)C ++ API、C封裝器和Python綁定。數(shù)據(jù)包括代碼操作的詳細(xì)說(shuō)明，它可以作為新設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

免費(fèi)的開(kāi)源軟件可用于編程SDR。圖形用戶(hù)界面驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，允許控制射頻芯片的各方面，例如帶寬或頻率。這一切都是利用FPGA通過(guò)串行外設(shè)接口連接加載數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而可以設(shè)置所需的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。可以實(shí)時(shí)下載到電路板上，并可以使用硬件在環(huán)檢查系統(tǒng)性能。當(dāng)射頻設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以保存FPRF配置以用于最終系統(tǒng)。

FPGA中的控制邏輯

SDR的控制邏輯在FPGA中實(shí)現(xiàn)，命令可以通USB端口下載到模塊中?？梢孕薷腇PGA的功能，這是先前分配給硬件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，他們具有設(shè)備設(shè)計(jì)所需的專(zhuān)業(yè)技能。這也被認(rèn)為是供應(yīng)商在電子產(chǎn)品中廣泛采用FPGA的最大障礙之一。因此，他們?yōu)楹?jiǎn)化軟件或非專(zhuān)業(yè)社區(qū)的設(shè)計(jì)流程做出了巨大努力。

IIoT是進(jìn)一步提升工業(yè)自動(dòng)化水平不可或缺的一部分，無(wú)線(xiàn)連接必須在整體IIoT戰(zhàn)略中占據(jù)一席之地。一些選項(xiàng)可以利用未經(jīng)許可的低功率廣域網(wǎng)，而其它選項(xiàng)可能部署新興的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不太可能滿(mǎn)足所有要求，因此需要一種可配置的網(wǎng)關(guān)，旨在涵蓋許多選項(xiàng)。SDR硬件和軟件通信提供了專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的替代方案。