如何为工业物联网选择最节能的通信方案？

作者：e络盟技术团队

为工业应用中的工业物联网（IIoT）设备选择通信方法时必须考虑以下几个因素：最大吞吐量、距离范围、部署区域的可用性以及能源消耗。本文讨论了主要的通信协议及其对能源消耗的影响。

IIoT 应用包含连接到传感器节点的传感器组。传输时间由两个节点之间的距离、数据速率和信息大小决定，所有这些都会对能源优化产生影响。事实上，数据速率越高，接收/传输数据所需的时间就越短，能耗也随之降低。传感器节点通常是电池供电的设备，其使用寿命受电池技术、设计及制造质量等多个外部因素影响。

采用无线连接解决方案可为设备提供极低的能耗，同时保持快速传输大量数据的能力，无论距离远近，确保经济可行性。

工业应用中使用的无线通信技术：

如下图所示，工业应用中的无线网络通常分为三类：无线个人局域网 (WPAN)、无线局域网 (WLAN)及无线广域网 (WWAN)。

无线连接技术

WPAN 覆盖范围通常为大约 100米。此类设备的 BLE、ZigBee、NFC及 Thread连接通常具有低无线电传输能耗，并且使用的电池较小。大多数情况下，这些设备处于睡眠模式。一旦有事件发生，设备便会唤醒，并发送短消息给网关、PC或智能手机。典型 BLE模块的最大/峰值功耗为 39mA或更低，而平均功耗约为9 μA。其有效功耗仅为传统蓝牙技术的十分之一。在低负载周期应用中，纽扣电池可确保可靠运行 5-10年。

WLAN 的覆盖范围通常可达 1000米。Wi-Fi是最常见的标准。802.11 ax是最新一代 Wi-Fi标准之一，也称为 Wi-Fi 6。Wi-Fi 6提供更高的数据速率和容量（高达 9.6 Gbps），可在2.4 GHz和 5 GHz频谱上运行。Wi-Fi 6还引入了一项新技术，可优化客户端的功耗需求。目标唤醒时间 (TWT)允许接入点和客户端通过协商确定接收器确切的唤醒时间，以接收发送方传输的数据，从而减少功耗。

WWAN 的覆盖范围通常可达 100千米。蜂窝技术（2G、3G和 4G）用于远程设备连接。目前正在部署的 5G技术保证了高带宽和极低的延迟，这将有利于其被广泛采用。蜂窝连接一直以来专注于覆盖范围和带宽，但往往以牺牲能耗为代价。设备产生的大量数据很难快速处理，同时数据在连接设备间传输的往返延迟也很高。然而，5G等新型蜂窝技术传输数据的速度比 4G快 10倍，有望实现超低延迟和更低功耗。

低功耗广域网 (LPWAN)技术非常适合机器对机器通信 (M2M)和 IoT设备的特定需求。该技术具备低功耗特性，且长距离传输能力突出，农村地区范围可达 10-50千米，城市地区则为 1-10千米。该网络可在许可频谱（NB-IoT和 LTE-M）和非许可频谱（Sigfox和 LoRa）中工作。

LTE-M 针对更高带宽和移动连接进行了优化。它在上行和下行链路上都减少了1.4 MHz的设备带宽，最大传输功率减少了20 dBm， FDD（频分双工）的LTE覆盖范围提高了15 dB，并增强了LTE DRX周期，实现了更长的非活动周期，从而优化了电池寿命。NB-IoT提供较低带宽的数据连接，上行链路和下行链路的设备带宽均为 200 kHz。比 LTE覆盖范围提高20dB。

Sigfox 和 LoRa都使用异步通信协议。Sigfox和 LoRa终端设备非运行期间，大部分时间都处于休眠模式，减少功耗。Sigfox和 LoRa支持使用 C类传输方式处理双向低延迟，代价则是增加能耗。

e络盟与众多不同供应商合作，提供各种通信技术产品和解决方案组合，例如：网络网关和套件、RFID模块、网络模块、蓝牙模块、ZigBee模块、Sub-GHz、传感器、网络控制-无线、过程控制-无线、射频/无线开发套件。