大规模生产场景涉及大量的设备、生产应用系统、工人和产品。稳定、高速且易于管理的无线网络是必不可少的要求。工业物联网的无线通信技术主要分为两大类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术；另一种是LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork），即低功耗广域网通信技术。LPWAN分为两类：一类是工作在非授权频谱上的LoRa、SigFox等技术；另一种是3GPP支持的授权频谱工作的2/3/4G蜂窝通信技术，如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。不同的无线技术在组网、功耗等方面有所不同、通信距离、安全性等，所以它们有不同的适用场景。例如，Sub-1GHz技术适用于远距离传输、电池供电、鲁棒性强的应用环境；蓝牙适用于高速、传输信息较多、手机控制的情况；Thread、Wi-Fi等技术也各有优缺点。适用情况。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技术的延伸和补充，Wi-FiHaLow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，极大地提高了工厂自动化的管理效率。工业物联网中不同无线技术的性能对比工业物联网中不同无线技术的传输速率和距离工业物联网中不同无线技术的接收效率和距离以下列出了工业物联网中几种常见的无线技术物联网：ZigBee、蓝牙、Lora、NB-IoT、Sigfox和最新的WiFiHalow技术。ZigBee技术ZigBee于2003年正式提出，它的出现弥补了蓝牙通信协议复杂度高、功耗大、距离短、组网规模小等缺陷。名字取自蜜蜂，蜜蜂（Bee）依靠飞行的“舞蹈”和“嗡嗡”（zig）摇动翅膀与同伴交流花粉的位置信息，依靠这种方式形成通讯网络在组中。ZigBee可以工作在868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz三个频段，最后一个频段是全球通用的，有16个信道，是免费和免费应用的射频频段。三个频段的传输速率分别为20kbps、40kbps和250kbps。ZigBee是一种低成本、低功耗、低功耗的短距离无线通信标准。它是为低速率传感器和控制网络设计的无线网络规范。功率仅为1mW，并且采用休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估计，ZigBee设备仅需两节AA电池即可使用长达6个月至2年，这是其他无线设备无法企及的。成本低：一个ZigBee模块的初始成本约为6美元，预计很快会降至1.5~2.5美元，且ZigBee协议免专利费。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。延迟短：通信延迟和从休眠状态激活的延迟都很短。典型搜索延迟为30ms，休眠激活延迟为15ms，活动设备通道访问延迟为15ms。因此，ZigBee技术适用于对时延要求严格的无线控制应用（如工控场合等）。网络容量大：一个星型ZigBee网络最多可容纳254个从设备和一个主设备，一个区域最多可同时存在100个ZigBee网络，一个网络最多可连接65000个节点，网络组成灵活。可靠：采用防碰撞策略，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方式，每个发送的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，但也有抗干扰性差、通信距离短、ZigBee协议不开源等缺点。蓝牙技术蓝牙技术最早由电信巨头爱立信于1994年开发。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。近距离数据交换。蓝牙技术广泛应用于手机和PDA等移动设备、PC、GPS设备以及大量的无线外设（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。截至目前，已更新蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0等10个版本，通信半径从数米延伸至数百米。与之前的蓝牙4.2甚至更旧版本相比，蓝牙5.0具有以下特点：传输速度更快：限速为2Mbps，是之前4.2LE版本的两倍。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，可作为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，硬件厂商可以通过蓝牙5.0打造更复杂的连接系统，例如Beacon或定位服务。功耗更低：功耗大大降低，人们在使用蓝牙时再也不用担心待机时间了。蓝牙技术的主要优点是不依赖于外部网络、速度快、功耗低、安全性高。只要有手机和智能设备，就可以保持稳定的连接，走到哪里都可以连接。它的缺点是不能直接连接到云端，传输速度比较慢，组网能力比较弱，网络节点少，不适合多点部署和控制。LoRa技术LoRa是美国Semtech公司开发推广的一种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，可以实现远距离、长电池寿命和大容量。然后扩展传感器网络。目前，LoRa主要运行在全球免费频段。工作频率在美国为915MHz，欧洲为868MHz，亚洲为433MHz。其典型范围为2公里至5公里，最长距离可达15公里，具体取决于位置和天线特性。LoRa技术具有以下特点：低功耗：通信距离可达15公里，接收电流仅10mA，休眠电流200nA，延长了电池的使用寿命。大容量：在密集的城市环境中可覆盖约2公里，在低密度的郊区可达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）到一点（节点）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技术非常适用于需要低功耗、远距离、大量连接和位置跟踪的物联网应用，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，从底层开始开发周期长，adhoc网络的组网机制相对复杂的。因此，大部分企业都不愿意研究LoRa技术，更愿意购买模块。直接使用它。NB-IoT技术NB-IoT（NarrowbandInternetofThings）技术起源于一家英国初创公司Neul（2014年被华为收购），专注于低功耗广覆盖物联网（IoT）市场。NB-IoT没有使用标准LTE的完整10MHz或20MHz带宽，而是使用180kHz宽的资源块，其中包含十二个15kHzLTE子载波，数据速率范围为100kb/s至1Mb/s。NB-IoT使用授权频段，可通过带内、保护带或独立载波三种方式部署，与现网共存。NB-IoT作为一种应用于低速率业务的技术，其优势主要包括：低功耗：NB-IoT牺牲了速度，换来了更低的功耗。使用简化的协议和更合适的设计大大提高了终端的待机时间。部分NB终端号称待机时间长达10年！成本低：与LoRa相比，NB-IoT不需要重新建网，射频和天线基本都在上面可以重复使用。低速率、低功耗、低带宽也为NB-IoT芯片和模组带来低成本优势，模组价格不超过5美元。海量连接：在同一个基站的情况下，NB-IoT可以提供比现有无线技术50到100倍的接入数量。一个扇区可支持10万个连接，支持低时延敏感性、超低设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。广覆盖：NB-IoT具有很强的室内覆盖能力。在相同频段下，NB-IoT相比现网增益提升20dB，相当于提升了100倍的覆盖面积。NB-IoT虽然具有诸多优势，但其发展将受到低速数据传输、隐私安全、IT系统转换时间等方面的制约。Sigfox技术Sigfox起源于法国Sigfox公司采用超窄带（UNB，UltraNarrowBand）技术建设的无线网络。它不仅是一种无线技术，也是一种网络服务。Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM频段，占用非常窄的带宽或功耗。Sigfox无线电使用一种称为超窄带(UNB)调制的技术偶尔以低数据速率传输短消息。消息最长可达12个字节，一个节点每天最多可传输140条消息。由于带宽窄，消息短，加上其162dB的链路预算，还可以达到几公里的长传输距离。对于只需要发送少量、不频繁的突发数据的应用程序，Sigfox是一个极好的选择。Sigfox的缺点是将数据发送回传感器/设备（下行链路能力）受到严重限制，信号干扰也可能是一个问题。HaLow技术连接不稳定，效率不高，时间间隔连续。这些一直是WiFi技术头疼的问题。HaLow是适用于工业物联网应用的新版WiFi，代号为802.11ah，可以让WiFi应用到更多地方，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，以及介于两者之间的应用程序之间。HaLow使用900MHz频段，低于目前WiFi的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到928MHz的免牌照频段，其他国家在1GHz以下使用类似的频段。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在搭配合适的天线后可以达到1km，信号更强，不易被干扰。HaLow声称传输距离是标准2.4GHzWiFi的两倍，穿墙能力更强。HaLow不适合快速数据传输，也不适合网页浏览（对物联网设备影响不大）。另外，900MHz是非授权频段，容易受到干扰。哪些技术将赢得工业物联网无线技术参数比较？根据市场研究机构IHSMarkit的最新报告，在低功耗广域网无线技术中，LoRa和NB-IoT可以说是遥遥领先，4G蜂窝技术的LTE-M版本进来了第三，其次是Sigfox。IHSMarkit预测，到2023年，NB-IoT和LoRa预计将占所有LPWAN链路的86%。2023年，这两种技术之间将出现竞争。LoRa将用于更多的专网，而NB-IoT将是公网上的主要应用。值得一提的是，华为海思目前是NB-IoT芯片的领先供应商，90%的芯片部署在中国；排名第二的NB-IoT芯片供应商是台湾的联发科技（Mediatek），第三大供应商是中国的紫光展锐。而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。根据IHSMarkit的调查报告，2017年Sigfox出货量不足9000个模组，市场份额排名第三，远远落后于LoRa和NB-IoT。IHSMarkit预测，到2021年，Sigfox的年销售额有望增长十倍，但仍将排在LoRa和NB-IoT之后。与此同时，蓝牙联盟和Wi-Fi联盟也纷纷使出了自己的大动作。蓝牙5.0提升后的信号覆盖范围号称可以覆盖整个公寓，堪比家用WiFi路由器的数据传输距离。HaLow结合了以前的WiFi技术和蓝牙的优点。在工业物联网中，客户的需求是丰富多样的，单一的技术无法解决客户的所有问题。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。
