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万亿级工业互联网市场无线通信技术如何去撬动

发布时间:2020-04-09 07:16
 

  工业互联网是时下热门话题,无论是技术人员还是投资机构都趋之若鹜。笔者从事芯片行业,期望从芯片的角度谈谈与工业互联网相关的无线通信技术及未来发展机会,权当抛砖引玉。

  工业互联网是“新基建”的七大板块之一,也是国家新时期的核心战略部署,同时也是从传统的消费互联网(To C 端)向产业互联网(To B端)转型的重要方向。工业互联网概念很简单,本质上就是利用先进的信息技术对传统产业(不仅指工业)进行升级,以期达到效益与竞争力的提升。

  工业物联网是通过物联网连接技术,实现工业生产全要素(人员、机器、物料、规则、)的连接,然后通过大数据及云计算技术,存储并运算数据,深度挖掘数据价值,优化生产流程,从而实现效率及生产力提升、成本下降和利润增长。

  其中,通信技术是产业发展的重要推动力量,工业互联网与通信连接技术有着非常紧密关系,由于工业现场不同及应用场景的差异,需要多种通信制式来覆盖不同的业务需求。

  工业互联网连接技术包括连接与无线通信两大类别,其中无线通信技术因部署简单、功能强大、使用便捷、组网灵活、覆盖区域大而在工业互联网中广泛使用,特别是5G、LoRa等新技术的导入所引发的技术变革是本文重点关注内容。

  不同的场景对通信方式的要求不同:自动驾驶领域要求低延时,因此5G的uRLLC方式适合;远程医疗要求大带宽,因此5G的eMBB有其优势;低速率、大容量、远距离场景使用各种LPWAN制式比较合适,包括LoRa、NB-IOT、Chirp-IOT等技术;对MESH组网要求较高的可以采用BLE/Zigbee等技术。

  智慧工厂是工业互联网领域重要应用场景之一,怎么保障自动上料、仓储运输、物流送料等过程都得到有效的管理与控制,毫无疑问必须运用现代的无线通信技术,以下是一个AGV(Automatic Guided Vehicle)小车管理的案例:

  当AGV小车在室内时,AGV小车和货架标签都可以通过蓝牙AOA(Angle of Arrive)定位技术与基站通信,基站可以计算出具体,再将实时的信息传至后台服务器。一方面可以实现对AGV小车的定位。另一方面,采用电子货架标签ESL显示具体商品的信息,结合AOA定位技术,可以实现商品信息的统一管理和商品的定位。

  当AGV小车从室内到室外的过程,利用125K低频触发技术,位于AGV小车内的触发芯片会收到触发激活基站的信号,从而AGV小车会从蓝牙AOA定位切换到GPS定位。

  当AGV小车在室外时,GPS模块通过与卫星通信来获取具体的经纬度信息,因为GPS模块功耗比较高,所以通过陀螺仪模块来判断AGV小车在室外的运动状态,当静止时则关闭GPS节省功耗,当运动时则打开GPS获取的信息,再通过低功耗远距离通信技术(例如LoRa、Chirp-IOT等)传输给基站。

  AGV小车在室内或室外都是将信息传输给基站,基站再通过或无线以太网经过由器传输给后台服务器,后台服务器将收集的信息记录下来,最终给用户呈现各个AGV小车的信息及运动轨迹。

  这个案例中分别运用蓝牙AOA定位技术,电子货架标签ESL,GPS定位技术、低功耗远距离通信技术等多种手段,完成对目标物体室内外轨迹的及,后台通过云端管理软件,对目标进行有效的管理与控制,达到工业的全过程控制。

  应用场景决定了通信方式的选择。本文将选取工业互联网的几个经典底层技术场景来阐述对通信制式的要求。

  室内定位是指在室内中实现物体或人的定位。未来50%以上的信息都与数据相关。据Market&Markets的调查数据显示,未来几年,室内定位的全球市场将以42.0%的年复合成长率增长,市场规模预计从2017年的71亿1000万美元扩大到2022年的409亿9000万美元。特别是以苹果为代表的手机企业将高精度定位系统引入手机生态系统后,原本TO B 的商业模式将快速过度到TO C的市场,这必将引起新一轮市场的快速增长。

  采集数据就需要依赖定位技术,随着无线通信技术的发展,定位技术的各项性能指标也得到了长足的进步,基于定位技术的相应市场也正在逐渐。随着室内定位技术精度的提高,室内定位为零售、制造、医疗、机器人等行业提供十分准确的信息数据,成为物联网时代的重要基础。不可否认的是,在工业互联网时代,室内定位技术作为工业物联网网络的底层基础技术之一,自然能够获得更大的市场机遇。

  室内定位常用到的技术有Wi-Fi、RFID、ZigBee、红外线、蓝牙和UWB超宽带技术,各种技术均有各自的特点,如下表所示:

  有众多技术可以实现室内定位,其中包括RFID、红外线、蓝牙Beacon、Zigbee,Wi-Fi、UWB及AOA-BLE,每种技术都有其长处和不足,其中高精度定位领域主要是UWB 及最新BLE 5.1 所支持的AOA/AOD技术,这些技术能够为工业场景的人员、物流、资产提供准确的时空信息,这是都是工业互联网重要的技术基础。

  除此之外,其他的室内定位技术,例如视觉成像定位、低频触发定位、超声波定位、惯性定位,激光雷达定位、毫米波定位等,在工业互联网的人、机、料、法、环的各个要素环节,比如自动上料、仓储运输、物流送料等过程都可能得到应用。毫无疑问,室内定位将会是多种传感器或者是多种技术的融合,是工业互联网的一个基础产品。

  同时,结合三维地图系统,室内定位技术能够解决很多场景问题,类似展会观众行为分析、消防疏散紧急预案,商场顾客行为分析,人流热力分布等,以下是一个室内定位系统的图例。

  图中BLE 标签或装有定位APP的手机发送标准的BLE 5.1 的AOA/AOD定位信号到定位基站,定位基站通过定位硬件及相关算法,计算出物体的空间,随后通过TCP/UDP等连接发到后台PaaS平台,应用端结合已有的室内定位便能准备定位物体。

  工业互联网存在大量的传感器、阀门、过程控制变量等低速信号需要采集与处理,并且工业需要传输距离远、工作年限长、通信密度大、抗干扰强的通信制式, 上述场景应用低功耗广域物联网技术(LPWAN)比较合适,常见用于工业互联网的低功耗广域网系统如下:

  上述三种制式中,LTE-Cat1 不需要运营商更换设备,可以复用传统4G网络的基础设施,相比于NB-IoT和2G模组,LTE Cat.1相拥有网络覆盖度好、速度快和延时低等优势,且与国内的4G网络非常匹配,能被广泛应用于对性价比、时延性、覆盖范围、通信速度有需求的应用场景。在5G网络营收没有起量之前,LTE-Cat1 非常受运营商欢迎。与之相对的是,基于5G的NB-IOT 及eMTC由于需要硬件投入,且网络覆盖性及产品成熟性均不及LTE-Cat1。

  基于非蜂窝的连接技术包括LoRa,SigFox及Chirp-IOT等,其中LoRa是美国Semtech公司所主导的技术,在国内外拥有广泛市场。Sigfox是法国公司所主导的一项低功耗广域组网技术,在欧洲拥有广泛市场。Chirp-IOT是一项国产的低功耗广域物联网底层技术,据报道即将试商用。

  在上述连接方式中,基于公网的数据需要先发送运营商的网络中,然后客户从其服务器下载,这种以运营商为中心的管理模式对于企业的数据安全存在极大的挑战,不少企业期望建立私有网络以确保企业数据安全,因此基于LoRa、Chirp-IOT等非蜂窝自主组网技术存在很大优势,在工业互联网实施过程中将占有相当份额。

  随着线上销售兴起,新零售行业也在进行信息技术,大量新技术比如电子货架标签,无感支付,智能配送等正在蓬勃发展,其中电子货架标签技术是新零售行业最底层的基础设施,运用电子价签技术可以替换传统的人工手动修改价格,速度快、效率高,同时大幅减少出错概率,加上其他辅助定位等功能,可以提高新零售行业的运营效率,在国外呈快速发展趋势,据 MarketsandMarkets报导,全球电子货架标签市场2023年将达140亿美元。2017至2023年间,市场还将以24%的复合年增长率增长,且亚太地区将成为快速发展地区之一,市场潜力巨大。

  电子货架标签系统(简称ESL),是一种放置在货架上、可替代传统纸质价格标签的电子显示装置,它为零售商带来的利益非常明显:

  首先修改价格工作变的简单,节省了日益昂贵的人工费用,ESL提供了便利的变价,超市可以进行更多的促销来提升销量;

  整个新零售的管理系统中,云平台与门店之间可以采用以太网连接或4G通信连接,门店内部ESL平台与电子货架标签之间通信系统可以是2.4GHz 定制化协议或者蓝牙,手持PAD与标签之间可以是近场NFC通信,不同的通信方式满足不同场景需求,构建一个完整的零售管理系统。

  工业互联网还与5G 自动驾驶、远程医疗、AR/VR之类技术有关联,鉴于这类介绍已经很多,本文不再赘述。

  工业互联网是现代信息技术与传统产业的结合,其中无线通信技术占有一席之地,将应用场景与通信技术紧密结合,挖掘其中的市场应用价值是工业互联网拓展过程中需要考虑的重要因素。

文章来源:fun88