應(yīng)用

技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)世界 >> 物聯(lián)網(wǎng)新聞 >> 物聯(lián)網(wǎng)熱點新聞
企業(yè)注冊個人注冊登錄

萬億級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場,無線通信技術(shù)如何去撬動

2020-04-08 09:25 上海磐啟微電子有限公司

導(dǎo)讀:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是時下熱門話題,無論是技術(shù)人員還是投資機構(gòu)都趨之若鶩。筆者從事芯片行業(yè),期望從芯片的角度談?wù)勁c工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的無線通信技術(shù)及未來發(fā)展機會,權(quán)當(dāng)拋磚引玉。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與通信連接技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是“新基建”的七大板塊之一,也是國家新時期的核心戰(zhàn)略部署,同時也是從傳統(tǒng)的消費互聯(lián)網(wǎng)(To C 端)向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(To B端)轉(zhuǎn)型的重要方向。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念很簡單,本質(zhì)上就是利用先進的信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(不僅指工業(yè))進行改造升級,以期達到效益與競爭力的提升。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過物聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù),實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)全要素(人員、機器、物料、規(guī)則、環(huán)境)的連接,然后通過大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù),存儲并運算數(shù)據(jù),深度挖掘數(shù)據(jù)價值,優(yōu)化生產(chǎn)流程,從而實現(xiàn)效率及生產(chǎn)力提升、成本下降和利潤增長。

其中,通信技術(shù)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動力量,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與通信連接技術(shù)有著非常緊密的關(guān)系,由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不同及應(yīng)用場景的差異,需要多種通信制式來覆蓋不同的業(yè)務(wù)需求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)包括有線連接與無線通信兩大類別,其中無線通信技術(shù)因部署簡單、功能強大、使用便捷、組網(wǎng)靈活、覆蓋區(qū)域大而在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用,特別是5G、LoRa等新技術(shù)的導(dǎo)入所引發(fā)的技術(shù)變革是本文重點關(guān)注內(nèi)容。

不同的場景對通信方式的要求不同:自動駕駛領(lǐng)域要求低延時,因此5G的uRLLC方式適合;遠(yuǎn)程醫(yī)療要求大帶寬,因此5G的eMBB有其優(yōu)勢;低速率、大容量、遠(yuǎn)距離場景使用各種LPWAN制式比較合適,包括LoRa、NB-IOT、Chirp-IOT等技術(shù);對MESH組網(wǎng)要求較高的可以采用BLE/Zigbee等技術(shù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實例——智慧工廠

不妨讓我們先來看一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的智慧工廠實例。

智慧工廠是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域重要應(yīng)用場景之一,怎么保障自動上料、倉儲運輸、物流送料等過程都得到有效的管理與控制,毫無疑問必須運用現(xiàn)代的無線通信技術(shù),以下是一個AGV(Automatic Guided Vehicle)小車管理的案例:

當(dāng)AGV小車在室內(nèi)時,AGV小車和貨架標(biāo)簽都可以通過藍(lán)牙AOA(Angle of Arrive)定位技術(shù)與基站通信,基站可以計算出具體位置,再將實時的位置信息傳至后臺服務(wù)器。一方面可以實現(xiàn)對AGV小車的定位。另一方面,采用電子貨架標(biāo)簽ESL顯示具體商品的信息,結(jié)合AOA定位技術(shù),可以實現(xiàn)物料的統(tǒng)一管理和定位。

AGV小車從室內(nèi)到室外的過程,利用125K低頻觸發(fā)技術(shù),位于AGV小車內(nèi)的觸發(fā)芯片會收到觸發(fā)激活基站的信號,從而AGV小車會從藍(lán)牙AOA定位切換到GPS定位。

當(dāng)AGV小車在室外時,GPS模塊通過與衛(wèi)星通信來獲取具體的經(jīng)緯度信息,因為GPS模塊功耗比較高,所以通過陀螺儀模塊來判斷購物車在室外的運動狀態(tài),當(dāng)靜止時則關(guān)閉GPS節(jié)省功耗,當(dāng)運動時則打開GPS獲取的位置信息,再通過低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)(例如LoRa、Chirp-IOT等)傳輸給基站。

AGV小車在室內(nèi)或室外都是將位置信息傳輸給基站,基站再通過有線或無線以太網(wǎng)經(jīng)過路由器傳輸給后臺服務(wù)器,后臺服務(wù)器將收集的位置信息記錄下來,最終給用戶呈現(xiàn)各個AGV小車的位置信息及運動軌跡。

這個案例中分別運用藍(lán)牙AOA定位技術(shù),電子貨架標(biāo)簽ESL,GPS定位技術(shù)、低功耗遠(yuǎn)距離通信技術(shù)等多種手段,完成對目標(biāo)物體室內(nèi)外軌跡的跟蹤及上報,后臺通過云端管理軟件,對目標(biāo)進行有效的管理與控制,達到工業(yè)環(huán)境的全過程控制。

應(yīng)用場景決定了通信方式的選擇。本文將選取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的幾個經(jīng)典底層技術(shù)場景來闡述對通信制式的要求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)物體或人的位置定位。未來50%以上的信息都與位置數(shù)據(jù)相關(guān)。據(jù)Market&Markets的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,未來幾年,室內(nèi)定位的全球市場將以42.0%的年復(fù)合成長率增長,市場規(guī)模預(yù)計從2017年的71億1000萬美元擴大到2022年的409億9000萬美元。特別是以蘋果為代表的手機企業(yè)將高精度定位系統(tǒng)引入手機生態(tài)系統(tǒng)后,原本TO B 的商業(yè)模式將快速過度到TO C的市場,這必將引起新一輪市場的快速增長。

采集位置數(shù)據(jù)就需要依賴定位技術(shù),隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,定位技術(shù)的各項性能指標(biāo)也得到了長足的進步,基于定位技術(shù)的相應(yīng)市場也正在逐漸開啟。隨著室內(nèi)定位技術(shù)精度的提高,室內(nèi)定位為零售、制造、醫(yī)療、機器人等行業(yè)提供十分準(zhǔn)確的位置信息數(shù)據(jù),成為物聯(lián)網(wǎng)時代的重要基礎(chǔ)。不可否認(rèn)的是,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代,室內(nèi)定位技術(shù)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)的底層基礎(chǔ)技術(shù)之一,自然能夠獲得更大的市場機遇

室內(nèi)定位常用到的技術(shù)有Wi-Fi、RFID、ZigBee、紅外線、藍(lán)牙和UWB超寬帶技術(shù),各種技術(shù)均有各自的特點,如下表所示:

有眾多技術(shù)可以實現(xiàn)室內(nèi)定位,其中包括RFID、紅外線、藍(lán)牙Beacon、Zigbee,Wi-Fi、UWB及AOA-BLE,每種技術(shù)都有其長處和不足,其中高精度定位領(lǐng)域主要是UWB 及最新BLE 5.1 所支持的AOA/AOD技術(shù),這些技術(shù)能夠為工業(yè)場景的人員、物流、資產(chǎn)提供準(zhǔn)確的時空位置信息,這是都是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

除此之外,其他的室內(nèi)定位技術(shù),例如視覺成像定位、低頻觸發(fā)定位、超聲波定位、慣性導(dǎo)航定位,激光雷達定位、毫米波定位等,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的人、機、料、法、環(huán)的各個要素環(huán)節(jié),比如自動上料、倉儲運輸、物流送料等過程都可能得到應(yīng)用。毫無疑問,室內(nèi)定位將會是多種傳感器或者是多種技術(shù)的融合,是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個基礎(chǔ)產(chǎn)品。

同時,結(jié)合三維地圖系統(tǒng),室內(nèi)定位技術(shù)能夠解決很多場景問題,類似展會觀眾行為分析、消防疏散緊急預(yù)案,商場顧客行為分析,人流熱力分布等,以下是一個室內(nèi)定位系統(tǒng)的圖例。

圖中BLE 標(biāo)簽或裝有定位APP的手機發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的BLE 5.1 的AOA/AOD定位信號到定位基站,定位基站通過定位硬件及相關(guān)算法,計算出物體的空間位置,隨后通過TCP/UDP等連接發(fā)到后臺PaaS平臺,應(yīng)用端結(jié)合已有的室內(nèi)定位便能準(zhǔn)備定位物體位置。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境存在大量的傳感器、閥門、過程控制變量等低速信號需要采集與處理,并且工業(yè)環(huán)境需要傳輸距離遠(yuǎn)、工作年限長、通信密度大、抗干擾強的通信制式,上述場景應(yīng)用低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(LPWAN)比較合適,常見用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的低功耗廣域網(wǎng)系統(tǒng)如下:

上述LPWAN連接方式中,基于公網(wǎng)的是LTE-Cat1、LTE-eMTC、NB-IOT;為了滿足不同場景下的物聯(lián)網(wǎng)場景下的需求,3GPP最后確定LTE-Cat.1、LTE-eMTC, NB-IoT三種標(biāo)準(zhǔn),其中NB-IoT的速率是最慢的,eMTC次之,Cat.1最快(也就5Mbps)。

上述三種制式中,LTE-Cat1 不需要運營商更換設(shè)備,可以復(fù)用傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施,相比于NB-IoT和2G模組,LTE Cat.1相擁有網(wǎng)絡(luò)覆蓋度好、速度快和延時低等優(yōu)勢,且與國內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)非常匹配,能被廣泛應(yīng)用于對性價比、時延性、覆蓋范圍、通信速度有需求的應(yīng)用場景。在5G網(wǎng)絡(luò)營收沒有起量之前,LTE-Cat1 非常受運營商歡迎。與之相對的是,基于5G的NB-IOT 及eMTC由于需要硬件投入,且網(wǎng)絡(luò)覆蓋性及產(chǎn)品成熟性均不及LTE-Cat1。

基于非蜂窩的連接技術(shù)包括LoRa,SigFox及Chirp-IOT等,其中LoRa是美國Semtech公司所主導(dǎo)的技術(shù),在國內(nèi)外擁有廣泛市場。Sigfox是法國公司所主導(dǎo)的一項低功耗廣域組網(wǎng)技術(shù),在歐洲擁有廣泛市場。Chirp-IOT是一項國產(chǎn)的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù),2020年即將試商用。

在上述連接方式中,基于公網(wǎng)的數(shù)據(jù)需要先發(fā)送運營商的網(wǎng)絡(luò)中,然后客戶從其服務(wù)器下載,這種以運營商為中心的管理模式對于企業(yè)的數(shù)據(jù)安全存在極大的挑戰(zhàn),不少企業(yè)期望建立私有網(wǎng)絡(luò)以確保企業(yè)數(shù)據(jù)安全,因此基于LoRa、Chirp-IOT等非蜂窩自主組網(wǎng)技術(shù)存在很大優(yōu)勢,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施過程中將占有相當(dāng)份額。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與新零售信息系統(tǒng)

隨著線上銷售興起,新零售行業(yè)也在進行信息技術(shù)革命,大量新技術(shù)比如電子貨架標(biāo)簽,無感支付,智能配送等正在蓬勃發(fā)展,其中電子貨架標(biāo)簽技術(shù)是新零售行業(yè)最底層的基礎(chǔ)設(shè)施,運用電子價簽技術(shù)可以替換傳統(tǒng)的人工手動修改價格,速度快、效率高,同時大幅減少出錯概率,加上其他輔助定位等功能,可以提高新零售行業(yè)的運營效率,在國外呈快速發(fā)展趨勢,據(jù) MarketsandMarkets報導(dǎo),全球電子貨架標(biāo)簽市場2023年將達140億美元。2017至2023年間,市場還將以24%的復(fù)合年增長率增長,且亞太地區(qū)將成為快速發(fā)展地區(qū)之一,市場潛力巨大。

電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)(簡稱ESL),是一種放置在貨架上、可替代傳統(tǒng)紙質(zhì)價格標(biāo)簽的電子顯示裝置,它為零售商帶來的利益非常明顯:

首先修改價格工作變的簡單,節(jié)省了日益昂貴的人工費用,ESL提供了便利的變價環(huán)境,超市可以進行更多的促銷來提升銷量;

其次貨架與收銀價格一致降低了政府價格監(jiān)管的風(fēng)險,同時也滿足顧客得到精確價格的愿望。

整個新零售的管理系統(tǒng)中,云平臺與門店之間可以采用以太網(wǎng)連接或4G通信連接,門店內(nèi)部ESL平臺與電子貨架標(biāo)簽之間通信系統(tǒng)可以是2.4GHz定制化協(xié)議或者藍(lán)牙,手持PAD與標(biāo)簽之間可以是近場NFC通信,不同的通信方式滿足不同場景需求,構(gòu)建一個完整的零售管理系統(tǒng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還與5G 自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、AR/VR之類技術(shù)有關(guān)聯(lián),鑒于這類介紹已經(jīng)很多,本文不再贅述。

總 結(jié)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合,其中無線通信技術(shù)占有一席之地,將應(yīng)用場景與通信技術(shù)緊密結(jié)合,挖掘其中的市場應(yīng)用價值是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)拓展過程中需要考慮的重要因素。

鳴謝:本文作者楊豐林(上海磐啟微電子有限公司副總經(jīng)理),如需轉(zhuǎn)載或者采用本文的內(nèi)容,需獲得原作者的許可