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善用无线通信技术 挖掘工业互联网市场应用价值
发布时间:2020/05/11 来源:本站 浏览量:194

集微网消息,作为“新基建”七大板块之一,工业互联网已成为我国未来重点部署的核心战略,而无线通信技术正在工业互联网场景中扮演越来越关键的角色。在此背景下,如何在不同的工业互联网场景中善用无线通信技术,从而更好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,成为工业互联网拓展过程中需要考虑的重要因素。

5月9日,集微网邀请上海竞技宝官网微电子有限公司市场&工程副总经理杨丰林做客第七期“集微直播间·开讲”,带来以《无线通讯技术如何撬动万亿级工业互联网市场》为主题的精彩演讲,收获了业界的极高关注。截至5月9日午间12:00,已有11168名观众通过爱集微APP直播平台观看了直播节目。

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上海竞技宝官网微电子有限公司市场&工程副总经理杨丰林

“集微直播间·开讲”栏目是集微网推出的一档大咖私享栏目,目前已成功举办7期。每期邀请一位行业大咖通过线上直播形式结合当下热点进行主题分享,同时设置直播间文字提问互动环节。

通信技术:工业互联网的纽带

在杨丰林看来,工业互联网是新一代信息技术与工业经济深度融合的全新经济生态、关键基础设施和新型应用模式,通过人、机、物的全面互联,实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接,推动形成全新的生产制造和服务体系。工业互联网具有泛在互联、全面感知、智能优化、安全稳固等四个特性。工业互联网的本质就是将先进的信息技术和整个工业的全要素进行有效的一个整合。因此,在其中,通信技术就成为非常重要的一个纽带。

那么在工业互联网环境下,通信连接技术主要包括哪些?据杨丰林介绍,其主要包含两大分支:第一类是有线连接,即包括工业总线以及相关的以太网技术等;第二类是无线连接,因具备部署简单、功能强大、使用便捷、组网灵活、覆盖区域大等优点,无线通信技术已经成为工业场景中里面比较受欢迎的一种连接方式。

具体来看,整个无线通信技术又分为两大类。杨丰林表示,第一大类是基于运营商的公网技术,其中包括为人熟知的与5G相关的eMBB、URLLC、mMTC、以及NB-IoT与4G-LTE Cat.1等具有一定的移动性的物联网技术;另一大类则是企业自主组网技术,包括常见的WiFi、蓝牙BLE、ZigBee、LoRa、Sigfox、Chirp-IoT等一类技术。

杨丰林指出,由于企业可以完全自主进行组网,并且能够自己掌控数据,所以实际上在工业环境中,自主组网技术的使用率比基于公网的还要高一些,并且其所要处理的节点数也比基于公网的节点数多一个量级

工业互联网实例——智慧工厂

为了详细阐述通信技术对工业互联网的影响,杨丰林以工业互联网领域重要应用场景之一——智慧工厂为例,分析了管理与控制AGV(Automatic Guided Vehicle)小车保障自动上料、仓储运输、物流送料的全过程。

据杨丰林介绍,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,基站则可以计算出其具体位置,再将实时的位置信息传至后台服务器。这样一方面可以实现对AGV小车的定位;另一方面,通过采用电子货架标签ESL显示具体商品的信息,结合AOA定位技术,后台可以实现物料的统一管理和定位。

随后在从室内到室外的过程中,AGV小车利用125K低频触发技术,令位于车内的触发芯片收到触发激活基站的信号,从而从蓝牙AOA定位切换到GPS定位。

最后,当AGV小车在室外时,GPS模块会通过与卫星通信来获取其具体的经纬度信息。由于GPS模块功耗比较高,所以可以通过陀螺仪模块来判断小车在室外的运动状态,当静止时可关闭GPS节省功耗,当运动时则打开GPS获取小车位置信息,再通过低功耗远距离通信技术(如LoRa、Chirp-IoT等)传输给基站。

杨丰林指出,这一案例中用到了1种有线通信方式和5种无线通信方式,包括2.4G协议、蓝牙协议、基于蓝牙BLE的AOA定位技术、125K低频触发技术、GPS的卫星导航技术、Chirp-IoT/LoRa低功耗广域网的传输技术等。有了这些通信技术,才实现对目标小车的有效管理,完成工业全过程控制。

借用上述案例,杨丰林再次强调,应用场景决定了工业互联网通信方式的选择。以无线技术而言,低功耗广域物联网、新零售电子货架标签、高精度室内定位正在成为工业互联网三大典型应用场景。

典型场景一:低功耗广域物联网

工业互联网环境存在大量的传感器、阀门、过程控制变量等低速信号需要采集与处理,并且工业环境需要传输距离远、工作年限长、通信密度大、抗干扰强的通信制式,因此上述场景应用低功耗广域物联网技术(LPWAN)比较合适。市场调研报告显示,目前整个低功耗广域物联网市场每年增长速度达到100%,其中亚太包括中国是应用最多的一个地区,公用事业是低功耗广域物联网主要的应用市场之一。

据杨丰林介绍,低功耗广域物联网有两种不同制式,一种是基于蜂窝即工作在授权频段的一些低功耗广域物联网技术,如NB-IoT等;另一大类是工作在自组网即非授权频段的一些技术,如LoRa与Chirp-IoT,其中前者是美国Semtech公司所主导的技术,在国内外拥有广泛市场;后者则是一项由上海竞技宝官网微研发,拥有自主知识产权的国产低功耗广域物联网底层技术,即将于2020年试商用。

杨丰林指出,这种非授权频段、自组网的技术优势主要包含数据私有、有效覆盖、简易部署、小尺寸、非蜂窝网络、极低功耗。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。

典型场景二:新零售电子货架标签

随着线上销售兴起,新零售行业也在进行信息技术革命,大量新技术如电子货架标签、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,同时能大幅减少出错概率,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。目前这一技术在国外呈快速发展趋势。

数据显示,2018年中国连锁超市100强门店数量增长到10.15万家,电子标签在国内百强超市渗透率提高到20%,电子价签市场规模超过300亿元。中国电子货架标签硬件市场空间有望在未来5年超过1000亿元。另据MarketsandMarkets报告显示,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23.98%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。

杨丰林表示,整个电子货架标签于上世纪90年代就在欧洲就开始尝试,现在一些大型超市如沃尔玛,家乐福都已开始使用,它可以灵活地构建一种新零售的一些系统。目前在国内的话发展也很快,每年的增长率的话已经达到了40%~50%,越来越多的一些超市,甚至小型的连锁店都开始尝试这种无线通信技术,包括一些仓储物流的环节。

那么,使用这种电子货架标签的优势何在?杨丰林指出,首先它能够管控项目,节约很多人工成本;同时能做到货架的统一,即后台的货物价格和前台显示价格统一,从而避免一些购物纠纷,给客户很好的体验感。

案例方面,据杨丰林透露,目前竞技宝官网新零售货架标签系统已在阿里云飞天园区使用。其中,竞技宝官网的ESL管理系统主要包含电子标签服务器、电子标签网关及标签三部分。其中电子标签服务器是基于阿里云的IoT平台建立,采用标准化通用的Paas/saas平台;电子标签网关支持4个通信子卡,可实现对价签的快速批量更新;另外,电子标签集成了本公司的PAN 188芯片,该芯片具有极低通信功耗,并且屏幕采用墨水屏显示,电池使用年限高达5~8年。


典型场景三:高精度室内定位


据Market&Markets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71亿美元扩大到2022年的409亿美元。特别是随着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,这将引起新一轮市场的快速增长。

杨丰林表示,全球定位技术方面,GPS技术应用最成熟也最广泛,但它不支持室内定位。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。在工业互联网时代,室内定位技术作为工业物联网感知网络的底层基础技术之一,能够获得更大的市场机遇。

杨丰林重点介绍了两种主流高精度室内定位技术——UWB技术与蓝牙AOA技术。这两大技术能够为工业场景的人员、物流、资产提供准确的时空位置信息,这是都是工业互联网重要的技术基础。但他也同时指出,目前UWB技术成本还是偏高,功耗较大,且频谱资源受限,而蓝牙AOA技术优势稍强一些,因为芯片供应商有很多,成本较低,功耗更小,而且工作在公开频段,生态资源也不错,因此将在竞争中稍占上风。

除此之外,杨丰林表示,其他的室内定位技术,如视觉成像定位、低频触发定位、超声波定位、惯性导航定位,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。”杨丰林表示。

最后,杨丰林再次强调,随着室内定位技术精度的提高,室内定位将为零售、制造、医疗、机器人等行业提供十分准确的位置信息数据,从而成为物联网时代的重要基础

互动问答

Q:工信部5月7日发布了25号文件,强调加快5G等新型基础设施建设,物联网特别是基于运营商体系的蜂窝物联网未来会成为主流,最显眼的技术莫过于NB-IoT, 这和竞技宝官网微的Chirp-IoT有错位也有竞争,怎么看有运营商和政策加持的竞品技术?

A:这是个好事情。因为物联网场景太多太大,而且呈现出一种碎片化的特性,没有任何一种通信制式能覆盖所有场景。随着工业互联网发展,像运营商的蜂窝NB-IoT等技术的所有数据都要先进入运营商的网络和平台,然后企业再去从中获取,那就涉及一个很核心的问题——数据私有性。对很多企业而言,数据是最重要的资产,如果放在另外一个企业去把控,那数据的安全性如何保证?所以我认为其实在未来发展过程中,特别是工业互联网推动过程中,这种对数据保护意识、对数据私有性的一个要求的话,会成为许多企业的需求。

同时,我觉得NB-IoT会发展得不错,但面对物联网不同的场景,需要不同的通信方式进行一些有效补充或者协助,才能使整个物联网发展得更快更好,从而让整个市场做得更大,产业环境更好。

此外,一个产业要健康发展,一定要产业链每个环节都有钱赚。国内NB-IoT的发展所采用的还是说类似一个补贴的策略,或者说是类似于低价拓展的策略。目前NB-IoT模组价格已经压得很低,甚至网上出现了1美元的NB-IoT模组,这对整个产业来讲并不是好事,因为把模组价格压得很低,那么做模组的企业一定会想办法去减少服务或者降低产品质量,那这类产品再放到市场上去的话,用户的体验感包括服务会不断下降,从而最终导致用户离开这类系统,最终导致运营商继续挣不到钱,从而使这个恶性循环不断反复。

所以,NB-IoT当然有优势,但并不见得对任何场景都是最好的方式。任何一种技术还是应由市场说了算,由市场来检验才是一个最好的发展模式。我们也希望未来国家的一些政策或者相关考量,能更多考虑不同的应用场景需求。毕竟,不同的通信方式,包括NB-IoT以及一些自组网的技术将来都会长期服务于不同的物联网业务场景,他们都有各自的优势,从而共同撑起整个物联网市场向更大更广的方向去发展。

Q:Chirp-IoT属于非授权频段的通信技术,怎么看待它信号干扰的问题?

A:我们在使用过程中,从几个层面去考虑了Chirp-IoT技术中不同设备间的干扰问题,包括网关和节点间的所谓确定性干扰,还有网关与网关间的不确定干扰以及一些其他通信系统的随机干扰。

对于设备自身网关与节点之间的这种确定性干扰,可以通过类似时间戳的技术,在不同节点和与网关通信时错开时间,从而可以使每个终端有序和网关去进行通信;

对于网关与网关之间的不确定干扰,可以使用频率规划和调度技术。因为Chirp-IoT,也是工作在470M到510M这个频段,那么我们可以把这些频段在不同的网关之间进行分配,从而使得不同网关之间工作频率错开,有些频段低点,有些频段高点,从而减小不同网关之间的干扰;

对于其他通信系统的随机干扰,我们采用了类似于跳频技术,保证在通信时,设备会选择一个干净的信道进行信号的发射和接收。

同时,在通信过程中,我们会根据工信部“先听后发”的要求。在发射过程中提前对信道进行一个侦测,在其达到发射要求,并且满足一些管控需要的条件后,才会去发射信号。所以,通过一系列复杂算法支持,我们Chirp-IoT能够有效降低与相关的设备和相关节点间的干扰问题。

Q:低功耗广电物联网强调的是低功耗,Chirp-IoT在功耗控制以及技术成熟上来说,是否有一些独到的优势呢?

A:我们Chirp-IoT在低功耗方面的话做了很多的工作,包括有硬件层面、软件层面、协议层面三个维度。

硬件层面,首先芯片就涉及到一些很复杂的低功耗的芯片设计,保证整个芯片的待机、睡眠功耗符合要求;

软件层面,我们会对整个通信过程进行一个有效调度和管控,包括休眠、唤醒等,保证它不需要通信时保持睡眠状态,需要工作时能够唤醒;

协议层面,我们也做了很多优化,通过一些设置保证系统能够有更好的通信效率、更短的通信时间和更高的通信效率。

Q:和其他技术一样,Chirp-IoT是否也一些专利方面的困扰?

A:对于Chirp-IoT,我们从一开始就非常关注专利问题,所以我们从设计之初的话就严格按照既有一些方式进行开发,同时我们还在业界比较领先扩频技术基础上,加上了独创的相位调制技术来实现既能传得远也能传得快。此外,我们和一些业内比较知名的互联网巨头也有合作,他们对我们的一些专利也进行了评估,还有一些律所也对我们进行了全面考核。现在他们的结论是,竞技宝官网微这套Chirp-IoT技术系统还是非常原创的。

所以说我们可以肯定地讲,我们的Chirp-IoT产品包括我们的一些相关应用,是完全自主知识产权的

Q:在室内定位技术这块,阵列天线、AOA角度精确度、不同场景下的定位设备布置、云端数据管理都是挺复杂的事情,这么多复杂的事情怎么考量成本,尤其是维护成本和功耗?

A:回到问题本质,我们这套系统最终的业务模式是被集成的,也就是说我们不可能从底层到应用层都去做,最终我们会提供标签以及室内定位的网关。我们会把相关的接口开放给一些系统集成商,然后系统集成商会根据一些应用场景,再进行一些后续相关的开发。

所以说,在最终的业务模式或者说应用层面上,我们是希望和系统集成商进行紧密的合作。我们可以提供相关的一些底层的技术或者驱动给合作伙伴,让他们再进行顶层的一些SaaS开发或者相关应用层面的开发,做到共同面向一些工业环境,解决一些很复杂的应用问题。所以说,这个过程一定是交互的,我们会提供一些标准接口给客户,然后由客户根据标准接口再去开发一些应用软件。

Q:Chirp-IoT,包括LoRa终端在内,会不会出现使用的电池规格不一样导致电压差别大的情况,那我们对于宽电压这块是否有所考量?

A:Chirp-IoT和LoRa产品是用不同工艺做的,而且他们本身的话也不是相互兼容的,所以我们的用户在使用不同芯片时可能会关注了这个问题。我们的芯片有很宽的一个电范围,里面也加了电源管理。所以,如果按照我们的规格书来设计的话,完全能够避免这一问题。

Q:在ISM公共无线频道工作的诸多设备,特别是比较敏感的工业联网数据,怎么应付潜在的安全隐患?

A:在工业环境下,安全确实被摆在很高的一个位置。所以我们在构建系统时也考虑了这一点,特别是像面向电网、水表与气表等应用的时候,都有一些安全要求。现在一个趋势是,我们需要和一些加密团队共同开发,包括一些从事国密技术的公司都有配合。我们的无线芯片和一些国密芯片项目可能会做一些SIP或者一些SoC,保证可以直接满足用户的需求。

目前我们公司在逐步把一些硬件加密的环节加上去,未来还会有一些软件加密。最终通过硬件加密、网络加密相互结合,打造一个在工业环境下比较安全稳定的数据传输方式

Q:ST发布的stm32wl内置了一个LoRa收发器,它的MCU和LoRa结合的单芯片方案的成本、功耗、集成度对下游用户更友好,那竞技宝官网微Chirp-IoT是否也会有此考量?

A:有的。其实任何一个无线芯片的发展的趋势都是说是从单芯片到SoC,但是我们也要考虑到客户需求,因为最终还是客户的需求决定一切。

其实在整个类似于这种低功耗广域物联网的市场里面,有些客户有时候已经有自己的MCU系统,就不愿意去再切换到另外一个MCU平台,所以只有单芯片的需求。但另一些客户会希望你都能提供。所以我们将来在产品推广过程中会推出不同系列,既有单芯片也有SoC,满足不同客户需求。

Q:目前很多线下超市、服装店采用RFID,而竞技宝官网的电子货架主要采用的是2.4GHZ或者蓝牙技术。这几种技术有什么区别,各有什么特点呢?

A:好的,我大概讲一下RFID和电子关系标签它的区别。所谓的RFID,顾名思义它就是一个ID,所以说它信息量很少。而电子货架标签其实主要以一个电子墨水屏为主,功耗很低,能显示商品的信息、价格、制造商以及提供二维码,这个标签可以用5~8年。所以这两种本质上不是一个东西。

随着现在整个新零售发展的话,越来越多的厂商采取这种以电子墨水屏为基础的电子货架标签。RFID也不是说没有,毕竟不同的产品有不同的应用需求场合。电子货架标签应该是一个未来趋势,国内也在逐步普及。

Q:目前LoRa其实是有一个类似组织在推动,并且有了一个生态模式。那咱们Chirp-IoT目前有没有一些相关的考量或者举措?

A:任何一个通信系统也好,生态的确是非常重要。5G、4G为什么能发展这么大,显然就是因为有一个3GPP的生态支持。但我们和3GPP这种可能有点不一样,因为整个物联网非常碎片化,有很多场景,包括电网、石油化工、手机、智能家居等。

所以,从目前的应用来看,很难有一种这种标准的协议能满足所有产品的需求。它不像我们3G或者4G,反正就打电话、发短信、上网那些需求。在目前这种碎片化场景下,配置一种这样大一统的东西,并不具有很大的市场需求。实际上,市场数据也显示,目前市场上90%的友商产品还是点对点应用,而基于联网的业务其实非常少。所以从整个市场看,这种生态驱动跟3GPP不可同日而语。

所以对我们而言,更重要的是考虑满足一些不同的场景需求,并且面向具体场景做出相关的成套解决方案。同时,我们也是开放的,我们现在是一个底层的技术,我们也可以兼容一些目前主流的协议,比如阿里巴巴LinkWAN平台,目前我们的产品正在完成它的认证,将来与阿里的整个互联网平台打通以后,那么我们可以在阿里的平台上作为很重要的一个产品或者很重要的一个业务方向,给我们的相关客户进行选择。

作为一个底层的平台,我们始终会保持一种被集成的姿态,去和不同的厂商不同的应用进行结合,共同融入整个生态中去。