第四次工業革命（工業4.0）為機器賦予了更多的智能，并為自動化設備帶來了更高的效率和靈活性。這些日益復雜的系統推動了無線通信在工業環境中的采用。工業4.0智能機器和模塊自動化的定義包括：

安全和適應性強的控制連接

收集和持續調整生產過程的價值

機械狀態監控，以進行預測性維護

支持聯網實現大數據分析

支持這些功能的無線技術基于蜂窩，Wi-Fi，藍牙和IEEE 802.15.4標準和協議。部分原因是設計工程師期望來自不同供應商的組件具有兼容性。根據定義，這要求通過行業標準接口（而非專有接口）進行連接。實際上，互操作性只是工業4.0的一個方面。

無線連接是協調物料搬運和協作機器人任務的關鍵

無線通信的設備通常比有線網絡昂貴。但是，這種增加的前期成本可以通過多種方式抵消。從長遠來看，無線設備通常被證明是最具成本效益的選擇。那是因為在生產區域中布線的成本可能很高。需要花費精力設計電纜及其連接器的布線。另外，電纜需要電纜橋架或托架的保護和物理支持，并且它們需要接線盒和其他附件。計劃，訂購和安裝所有與電纜相關的硬件會延長實施網絡所需的時間。

基于Wi-Fi的自動化標準

電氣和電子工程師協會（IEEE）在1997年發布了802.11，定義了局域網（LAN）的無線標準。為確保市場充分利用此標準，業界協會Wi-Fi聯盟隨后緊隨其后，由對建立測試和認證計劃的供應商組成互操作聯盟。如今，IEEE 802.11定義的Wi-Fi標準已被Wi-Fi聯盟標準化所補充，從而使符合要求的設備具有異?？煽康募嫒菪?。

圖2：工業4.0（也稱為工業物聯網或IIoT）與無線技術密不可分。這些無線技術利用標準化接口允許各種設備和系統之間的連接，包括用作HMI的移動設備，以及無數其他傳遞機器狀態的無線現場系統。

盡管Wi-Fi對于監視應用程序以及將機器連接到企業級系統非常有用，但是Wi-Fi的速度，延遲和連接穩定性問題無法滿足工業現場機器控制的苛刻要求。這意味著當今工業應用中的Wi-Fi大多僅限于具有相當寬容要求的用途。這些包括：

條形碼掃描器，可將數據傳送到制造執行系統（MES），從而避免一到兩秒的延遲

不涉及實時控制功能運動傳感器

使用加速度計（以跟蹤隨時間變化的振動）以及溫度，壓力，濕度和氣體濃度傳感器等傳感器進行的長期機器狀態監測，以監測設備的效率和健康狀況

圖3：盡管不適合機器控制，但Wi-Fi對于機器監視應用程序以及將工廠車間連接到企業級系統中很有用。 （圖片來源：Wi-Fi聯盟）

業界已經進行了幾次嘗試以使Wi-Fi適應工業控制應用，但是這些嘗試取得了有限的成功。 IIoT成功采用的一種例外協議是工業自動化和過程自動化無線網絡（WIA-PA），這是來自中國的工業無線通信標準。

Wi-Fi當然可以在2.4或5 GHz上運行，更高的頻率可以實現更快的數據傳輸，但由于穿透力不足，因此也有專門標準使用其他頻段。例如，IEEE 802.11ah低數據Wi-Fi（HaLow Wi-Fi）的工作頻率約為900 MHz，通常用于需要擴展范圍和極低功耗的傳感器中。在另一個極端，IEEE 802.11ad Wi-Fi（WiGig）在大約60 GHz的頻率下運行，以提供非常快速的數據傳輸。

基于IEEE 802.15.4的無線技術

其他無線技術是IEEE 802.15.4標準定義的低速無線個人局域網或LR-WPAN。 LR-WPAN技術優先考慮在速度和范圍上的低成本和低功耗?；疽幏对试S數據傳輸速率達到250 kb/s，范圍達到10 m，采用LR-WPAN通信的技術旨在允許低成本設備之間進行通信，而無需任何其他通信基礎設施?；?/span>IEEE 802.15.4標準的協議（例如6LoWPAN，WirelessHART和ZigBee）正迅速成為首選的IIoT協議。

1. WirelessHART：HART Communications Foundation，ABB，Siemens等公司支持的一種基于802.15.4的協議稱為WirelessHART。這是工業自動化應用程序的良好支持和強大的標準。使用具有時間同步功能的跳頻網狀網絡可以維護網絡可靠性。相反，大多數基于Wi-Fi和蜂窩技術的無線通信協議使用的魯棒性較低的星形網絡拓撲要求所有設備都必須連接到中央設備。所有通信均使用128位AES加密，并且可以嚴格控制用戶訪問。

圖4：LTP5903-WHR SmartMesh網絡管理器支持線路供電的WirelessHART網關，使工程師可以集成基于標準的無線傳感器網絡實現可擴展的雙向通信。（圖片來源：ADI公司）

由于WirelessHART使用網狀拓撲，因此可以直接在設備之間路由數據。這可以擴展網絡范圍并形成冗余的通信路徑。這樣，如果一條路徑失敗，發送方將自動切換到冗余路徑。跳頻還允許WirelessHART避免干擾問題。

2. 6LoWPAN：低功耗無線個人局域網上的IPv6（通常稱為6LoWPAN）是允許IPv6數據包在基于IEEE 802.15.4的網絡上傳輸的協議。這意味著非常低功耗的設備可以連接到Internet，使其非常適合IoT傳感器和其他低功耗設備。

3. ZigBee：ZigBee由Zigbee聯盟維護，在智能家居和樓宇自動化應用中得到最廣泛的應用，ZigBee也許是最成熟的基于IEEE 802.15.4的協議。它使節點大部分時間都處于睡眠模式，從而大大延長了電池壽命。 ZigBee通常在2.4 GHz頻段內運行，并具有250 kbit / s 的固定數據傳輸速率。它可以支持各種網絡拓撲，包括星形，樹形和網格。樹形和網格拓撲擴展了網絡范圍。

圖5：Zigbee可用于（在其他應用中）工業設置中的運動，振動，濕度，溫度和狀態傳感器。 （圖片來源：Zigbee聯盟）

藍牙LE和工業自動化中的蜂窩物聯網

藍牙低功耗（BLE）是IEEE 802.15.4的替代方案，在該方案中，低成本和低功耗是重中之重，并且會犧牲速度和范圍。它以與標準藍牙相同的2.4 GHz頻率運行。藍牙LE的最大優點是它在移動操作系統（如開放手機聯盟的Android，蘋果的iOS和Microsoft Windows的各種排列）中得到廣泛支持。加上Logitech等大型電子產品供應商投入了相當多的開發工作，就難怪Bluetooth LE仍然主要是消費類設備的無線連接首選。這與WirelessHART一直并且一直主要專注于IIoT應用程序形成了鮮明的對比。

圖6：低功耗藍牙（BLE）標準具有一個串行端口配置文件，系統將其識別為完整的串行接口，有助于通過BLE連接的升級替換現有的有線設備。 （圖片來源：藍牙特別興趣小組）

綜上所述，過去幾年中，使用藍牙LE進行工業自動化任務的傳感器，遙控器，鎖和手持式設備越來越多。未來幾年，這種趨勢可能會增加。

與用于低功率短距離通信的基于BLE和IEEE 802.15.4的協議相反，蜂窩技術是遠程無線通信。 2G GSM蜂窩協議已被手機和物聯網設備中常見的3G和4G高速蜂窩協議所取代。但問題是蜂窩通信消耗大量功率，因此在工業應用中（尤其是在機器上進行此類連接），系統需要連接到永久性的有線電源。蜂窩LTE類別表示最大的數據傳輸速率，盡管是以更高的功耗為代價的。LTE Cat-0和Cat-1連接適用于IoT設備。相反，LTE-M是專為機器對機器和IoT應用設計的低功耗蜂窩協議。

與在手機領域廣泛使用不同，工業5G應用還不太成熟。這是因為消費者優先考慮下載速度，而IIoT系統的工程師則優先考慮低延遲和覆蓋范圍。實際上，低延遲在工業自動化中至關重要。確實，5G網絡將延遲保持在30毫秒以下，但是我們正在努力將延遲進一步降低到僅1毫秒，這樣的速度足以應付要求苛刻的實時工業控制（而不僅僅是監視）應用程序，例如在機床中傳輸反饋信號。

5G減少延遲的一種方法是網絡切片。這種聯網技術將網絡的帶寬劃分為不同的虛擬通道，然后分別對其進行管理。某些通道保留用于低延遲傳輸，禁止使用這些通道來傳輸大多數流量。然后，只有需要最快傳輸的工業控制應用才被允許使用這些保留的快速通道。

LoRA無線協議的興起

遠程廣域網調制（LoRA）是低成本的無線協議，是可再生能源，采礦和物流行業中遠程和海上應用的首選。這是一種低功率無線技術，可以使用一個電池在很長的距離（甚至超過10 km）上通信長達10年。簡而言之，LoRA是一種在免許可證頻段上運行的非蜂窩技術。它采用了諸如433和915 MHz的亞千兆赫頻段以及基于線性調頻擴頻（CSS）調制的擴頻調制。這使其非常適合于僅需要適度數據傳輸速率的偏遠地區設置的物聯網設備。LoRA還具有128位加密和身份驗證控件。另一個有用的功能（尤其是對于IIoT應用中的傳感器）是使用設備之間的三邊測量進行地理位置定位。

LoRA使用Semtech開發的專有技術，但具有多種開源元素。它由LoRa聯盟（包括IBM，Cisco，TATA，Bosch，Swisscom和Semtech）組成的大型聯盟支持（并確保了設備的互操作性）。

結論

工業自動化的無線協議比比皆是。每種都適合某些應用。要求低功耗并接受短距離傳輸的應用通常會受益于ZigBee和Bluetooth LE連接性。需要通信魯棒性的要求更高的工業應用可能需要具有WirelessHART無線連接的設備。需要長距離傳輸的應用需要高數據傳輸速率，因此需要蜂窩網絡。在這里，5G有望改變工業無線通信現狀。通常，最好通過LoRa在長距離內通信數據（并消耗最少的功率）。