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善用無線通信技術 挖掘工業互聯網市場應用價值
發布時間:2020/05/11 來源:本站 瀏覽量:67

集微網消息,作為“新基建”七大板塊之一,工業互聯網已成為我國未來重點部署的核心戰略,而無線通信技術正在工業互聯網場景中扮演越來越關鍵的角色。在此背景下,如何在不同的工業互聯網場景中善用無線通信技術,從而更好地將應用場景與通信技術緊密結合,挖掘其中的市場應用價值,成為工業互聯網拓展過程中需要考慮的重要因素。

5月9日,集微網邀請上海磐啟微電子有限公司市場&工程副總經理楊豐林做客第七期“集微直播間·開講”,帶來以《無線通訊技術如何撬動萬億級工業互聯網市場》為主題的精彩演講,收獲了業界的極高關注。截至5月9日午間12:00,已有11168名觀眾通過愛集微APP直播平臺觀看了直播節目。

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上海磐啟微電子有限公司市場&工程副總經理楊豐林

“集微直播間·開講”欄目是集微網推出的一檔大咖私享欄目,目前已成功舉辦7期。每期邀請一位行業大咖通過線上直播形式結合當下熱點進行主題分享,同時設置直播間文字提問互動環節。

通信技術:工業互聯網的紐帶

在楊豐林看來,工業互聯網是新一代信息技術與工業經濟深度融合的全新經濟生態、關鍵基礎設施和新型應用模式,通過人、機、物的全面互聯,實現全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接,推動形成全新的生產制造和服務體系。工業互聯網具有泛在互聯、全面感知、智能優化、安全穩固等四個特性。工業互聯網的本質就是將先進的信息技術和整個工業的全要素進行有效的一個整合。因此,在其中,通信技術就成為非常重要的一個紐帶。

那么在工業互聯網環境下,通信連接技術主要包括哪些?據楊豐林介紹,其主要包含兩大分支:第一類是有線連接,即包括工業總線以及相關的以太網技術等;第二類是無線連接,因具備部署簡單、功能強大、使用便捷、組網靈活、覆蓋區域大等優點,無線通信技術已經成為工業場景中里面比較受歡迎的一種連接方式。

具體來看,整個無線通信技術又分為兩大類。楊豐林表示,第一大類是基于運營商的公網技術,其中包括為人熟知的與5G相關的eMBB、URLLC、mMTC、以及NB-IoT與4G-LTE Cat.1等具有一定的移動性的物聯網技術;另一大類則是企業自主組網技術,包括常見的WiFi、藍牙BLE、ZigBee、LoRa、Sigfox、Chirp-IoT等一類技術。

楊豐林指出,由于企業可以完全自主進行組網,并且能夠自己掌控數據,所以實際上在工業環境中,自主組網技術的使用率比基于公網的還要高一些,并且其所要處理的節點數也比基于公網的節點數多一個量級。

工業互聯網實例——智慧工廠

為了詳細闡述通信技術對工業互聯網的影響,楊豐林以工業互聯網領域重要應用場景之一——智慧工廠為例,分析了管理與控制AGV(Automatic Guided Vehicle)小車保障自動上料、倉儲運輸、物流送料的全過程。

據楊豐林介紹,當AGV小車在室內時,AGV小車和貨架標簽都可以通過藍牙AOA(Angle of Arrive)定位技術與基站通信,基站則可以計算出其具體位置,再將實時的位置信息傳至后臺服務器。這樣一方面可以實現對AGV小車的定位;另一方面,通過采用電子貨架標簽ESL顯示具體商品的信息,結合AOA定位技術,后臺可以實現物料的統一管理和定位。

隨后在從室內到室外的過程中,AGV小車利用125K低頻觸發技術,令位于車內的觸發芯片收到觸發激活基站的信號,從而從藍牙AOA定位切換到GPS定位。

最后,當AGV小車在室外時,GPS模塊會通過與衛星通信來獲取其具體的經緯度信息。由于GPS模塊功耗比較高,所以可以通過陀螺儀模塊來判斷小車在室外的運動狀態,當靜止時可關閉GPS節省功耗,當運動時則打開GPS獲取小車位置信息,再通過低功耗遠距離通信技術(如LoRa、Chirp-IoT等)傳輸給基站。

楊豐林指出,這一案例中用到了1種有線通信方式和5種無線通信方式,包括2.4G協議、藍牙協議、基于藍牙BLE的AOA定位技術、125K低頻觸發技術、GPS的衛星導航技術、Chirp-IoT/LoRa低功耗廣域網的傳輸技術等。有了這些通信技術,才實現對目標小車的有效管理,完成工業全過程控制。

借用上述案例,楊豐林再次強調,應用場景決定了工業互聯網通信方式的選擇。以無線技術而言,低功耗廣域物聯網、新零售電子貨架標簽、高精度室內定位正在成為工業互聯網三大典型應用場景。

典型場景一:低功耗廣域物聯網

工業互聯網環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,并且工業環境需要傳輸距離遠、工作年限長、通信密度大、抗干擾強的通信制式,因此上述場景應用低功耗廣域物聯網技術(LPWAN)比較合適。市場調研報告顯示,目前整個低功耗廣域物聯網市場每年增長速度達到100%,其中亞太包括中國是應用最多的一個地區,公用事業是低功耗廣域物聯網主要的應用市場之一。

據楊豐林介紹,低功耗廣域物聯網有兩種不同制式,一種是基于蜂窩即工作在授權頻段的一些低功耗廣域物聯網技術,如NB-IoT等;另一大類是工作在自組網即非授權頻段的一些技術,如LoRa與Chirp-IoT,其中前者是美國Semtech公司所主導的技術,在國內外擁有廣泛市場;后者則是一項由上海磐啟微研發,擁有自主知識產權的國產低功耗廣域物聯網底層技術,即將于2020年試商用。

楊豐林指出,這種非授權頻段、自組網的技術優勢主要包含數據私有、有效覆蓋、簡易部署、小尺寸、非蜂窩網絡、極低功耗。因此,基于LoRa、Chirp-IOT等非蜂窩自主組網技術存在很大優勢,在工業互聯網實施過程中將占有相當份額。

典型場景二:新零售電子貨架標簽

隨著線上銷售興起,新零售行業也在進行信息技術革命,大量新技術如電子貨架標簽、無感支付、智能配送等正在蓬勃發展。其中,電子貨架標簽技術是新零售行業最底層的基礎設施,運用電子價簽技術可以替換傳統的人工手動修改價格,速度快、效率高,同時能大幅減少出錯概率,加上其他輔助定位等功能,可以提高新零售行業的運營效率。目前這一技術在國外呈快速發展趨勢。

數據顯示,2018年中國連鎖超市100強門店數量增長到10.15萬家,電子標簽在國內百強超市滲透率提高到20%,電子價簽市場規模超過300億元。中國電子貨架標簽硬件市場空間有望在未來5年超過1000億元。另據MarketsandMarkets報告顯示,電子貨架標簽市場2023年將達140億美元。2017至2023年間,市場還將以23.98%的復合年增長率增長,且亞太地區將成為快速發展地區之一,市場潛力巨大。

楊豐林表示,整個電子貨架標簽于上世紀90年代就在歐洲就開始嘗試,現在一些大型超市如沃爾瑪,家樂福都已開始使用,它可以靈活地構建一種新零售的一些系統。目前在國內的話發展也很快,每年的增長率的話已經達到了40%~50%,越來越多的一些超市,甚至小型的連鎖店都開始嘗試這種無線通信技術,包括一些倉儲物流的環節。

那么,使用這種電子貨架標簽的優勢何在?楊豐林指出,首先它能夠管控項目,節約很多人工成本;同時能做到貨架的統一,即后臺的貨物價格和前臺顯示價格統一,從而避免一些購物糾紛,給客戶很好的體驗感。

案例方面,據楊豐林透露,目前磐啟新零售貨架標簽系統已在阿里云飛天園區使用。其中,磐啟的ESL管理系統主要包含電子標簽服務器、電子標簽網關及標簽三部分。其中電子標簽服務器是基于阿里云的IoT平臺建立,采用標準化通用的Paas/saas平臺;電子標簽網關支持4個通信子卡,可實現對價簽的快速批量更新;另外,電子標簽集成了本公司的PAN 188芯片,該芯片具有極低通信功耗,并且屏幕采用墨水屏顯示,電池使用年限高達5~8年。


典型場景三:高精度室內定位


據Market&Markets調查數據顯示,未來幾年,室內定位的全球市場將以42.0%的年復合成長率增長,市場規模預計從2017年的71億美元擴大到2022年的409億美元。特別是隨著以蘋果為代表的手機企業將高精度定位系統引入手機生態系統后,原本to B的商業模式將快速過度到to C的市場,這將引起新一輪市場的快速增長。

楊豐林表示,全球定位技術方面,GPS技術應用最成熟也最廣泛,但它不支持室內定位。室內定位常用到的技術有Wi-Fi、RFID、ZigBee、紅外線、藍牙和UWB超寬帶技術,各種技術均有各自的特點。在工業互聯網時代,室內定位技術作為工業物聯網感知網絡的底層基礎技術之一,能夠獲得更大的市場機遇。

楊豐林重點介紹了兩種主流高精度室內定位技術——UWB技術與藍牙AOA技術。這兩大技術能夠為工業場景的人員、物流、資產提供準確的時空位置信息,這是都是工業互聯網重要的技術基礎。但他也同時指出,目前UWB技術成本還是偏高,功耗較大,且頻譜資源受限,而藍牙AOA技術優勢稍強一些,因為芯片供應商有很多,成本較低,功耗更小,而且工作在公開頻段,生態資源也不錯,因此將在競爭中稍占上風。

除此之外,楊豐林表示,其他的室內定位技術,如視覺成像定位、低頻觸發定位、超聲波定位、慣性導航定位,激光雷達定位、毫米波定位等,在工業互聯網的人、機、料、法、環的各個要素環節,比如自動上料、倉儲運輸、物流送料等過程都可能得到應用?!?strong style="box-sizing: border-box; font-weight: 700; -ms-text-size-adjust: none; outline-color: invert; outline-style: none; outline-width: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0);">毫無疑問,室內定位將會是多種傳感器或者是多種技術的融合,是工業互聯網的一個基礎產品。”楊豐林表示。

最后,楊豐林再次強調,隨著室內定位技術精度的提高,室內定位將為零售、制造、醫療、機器人等行業提供十分準確的位置信息數據,從而成為物聯網時代的重要基礎。

互動問答

Q:工信部5月7日發布了25號文件,強調加快5G等新型基礎設施建設,物聯網特別是基于運營商體系的蜂窩物聯網未來會成為主流,最顯眼的技術莫過于NB-IoT, 這和磐啟微的Chirp-IoT有錯位也有競爭,怎么看有運營商和政策加持的競品技術?

A:這是個好事情。因為物聯網場景太多太大,而且呈現出一種碎片化的特性,沒有任何一種通信制式能覆蓋所有場景。隨著工業互聯網發展,像運營商的蜂窩NB-IoT等技術的所有數據都要先進入運營商的網絡和平臺,然后企業再去從中獲取,那就涉及一個很核心的問題——數據私有性。對很多企業而言,數據是最重要的資產,如果放在另外一個企業去把控,那數據的安全性如何保證?所以我認為其實在未來發展過程中,特別是工業互聯網推動過程中,這種對數據保護意識、對數據私有性的一個要求的話,會成為許多企業的需求。

同時,我覺得NB-IoT會發展得不錯,但面對物聯網不同的場景,需要不同的通信方式進行一些有效補充或者協助,才能使整個物聯網發展得更快更好,從而讓整個市場做得更大,產業環境更好。

此外,一個產業要健康發展,一定要產業鏈每個環節都有錢賺。國內NB-IoT的發展所采用的還是說類似一個補貼的策略,或者說是類似于低價拓展的策略。目前NB-IoT模組價格已經壓得很低,甚至網上出現了1美元的NB-IoT模組,這對整個產業來講并不是好事,因為把模組價格壓得很低,那么做模組的企業一定會想辦法去減少服務或者降低產品質量,那這類產品再放到市場上去的話,用戶的體驗感包括服務會不斷下降,從而最終導致用戶離開這類系統,最終導致運營商繼續掙不到錢,從而使這個惡性循環不斷反復。

所以,NB-IoT當然有優勢,但并不見得對任何場景都是最好的方式。任何一種技術還是應由市場說了算,由市場來檢驗才是一個最好的發展模式。我們也希望未來國家的一些政策或者相關考量,能更多考慮不同的應用場景需求。畢竟,不同的通信方式,包括NB-IoT以及一些自組網的技術將來都會長期服務于不同的物聯網業務場景,他們都有各自的優勢,從而共同撐起整個物聯網市場向更大更廣的方向去發展。

Q:Chirp-IoT屬于非授權頻段的通信技術,怎么看待它信號干擾的問題?

A:我們在使用過程中,從幾個層面去考慮了Chirp-IoT技術中不同設備間的干擾問題,包括網關和節點間的所謂確定性干擾,還有網關與網關間的不確定干擾以及一些其他通信系統的隨機干擾。

對于設備自身網關與節點之間的這種確定性干擾,可以通過類似時間戳的技術,在不同節點和與網關通信時錯開時間,從而可以使每個終端有序和網關去進行通信;

對于網關與網關之間的不確定干擾,可以使用頻率規劃和調度技術。因為Chirp-IoT,也是工作在470M到510M這個頻段,那么我們可以把這些頻段在不同的網關之間進行分配,從而使得不同網關之間工作頻率錯開,有些頻段低點,有些頻段高點,從而減小不同網關之間的干擾;

對于其他通信系統的隨機干擾,我們采用了類似于跳頻技術,保證在通信時,設備會選擇一個干凈的信道進行信號的發射和接收。

同時,在通信過程中,我們會根據工信部“先聽后發”的要求。在發射過程中提前對信道進行一個偵測,在其達到發射要求,并且滿足一些管控需要的條件后,才會去發射信號。所以,通過一系列復雜算法支持,我們Chirp-IoT能夠有效降低與相關的設備和相關節點間的干擾問題。

Q:低功耗廣電物聯網強調的是低功耗,Chirp-IoT在功耗控制以及技術成熟上來說,是否有一些獨到的優勢呢?

A:我們Chirp-IoT在低功耗方面的話做了很多的工作,包括有硬件層面、軟件層面、協議層面三個維度。

硬件層面,首先芯片就涉及到一些很復雜的低功耗的芯片設計,保證整個芯片的待機、睡眠功耗符合要求;

軟件層面,我們會對整個通信過程進行一個有效調度和管控,包括休眠、喚醒等,保證它不需要通信時保持睡眠狀態,需要工作時能夠喚醒;

協議層面,我們也做了很多優化,通過一些設置保證系統能夠有更好的通信效率、更短的通信時間和更高的通信效率。

Q:和其他技術一樣,Chirp-IoT是否也一些專利方面的困擾?

A:對于Chirp-IoT,我們從一開始就非常關注專利問題,所以我們從設計之初的話就嚴格按照既有一些方式進行開發,同時我們還在業界比較領先擴頻技術基礎上,加上了獨創的相位調制技術來實現既能傳得遠也能傳得快。此外,我們和一些業內比較知名的互聯網巨頭也有合作,他們對我們的一些專利也進行了評估,還有一些律所也對我們進行了全面考核?,F在他們的結論是,磐啟微這套Chirp-IoT技術系統還是非常原創的。

所以說我們可以肯定地講,我們的Chirp-IoT產品包括我們的一些相關應用,是完全自主知識產權的。

Q:在室內定位技術這塊,陣列天線、AOA角度精確度、不同場景下的定位設備布置、云端數據管理都是挺復雜的事情,這么多復雜的事情怎么考量成本,尤其是維護成本和功耗?

A:回到問題本質,我們這套系統最終的業務模式是被集成的,也就是說我們不可能從底層到應用層都去做,最終我們會提供標簽以及室內定位的網關。我們會把相關的接口開放給一些系統集成商,然后系統集成商會根據一些應用場景,再進行一些后續相關的開發。

所以說,在最終的業務模式或者說應用層面上,我們是希望和系統集成商進行緊密的合作。我們可以提供相關的一些底層的技術或者驅動給合作伙伴,讓他們再進行頂層的一些SaaS開發或者相關應用層面的開發,做到共同面向一些工業環境,解決一些很復雜的應用問題。所以說,這個過程一定是交互的,我們會提供一些標準接口給客戶,然后由客戶根據標準接口再去開發一些應用軟件。

Q:Chirp-IoT,包括LoRa終端在內,會不會出現使用的電池規格不一樣導致電壓差別大的情況,那我們對于寬電壓這塊是否有所考量?

A:Chirp-IoT和LoRa產品是用不同工藝做的,而且他們本身的話也不是相互兼容的,所以我們的用戶在使用不同芯片時可能會關注了這個問題。我們的芯片有很寬的一個電范圍,里面也加了電源管理。所以,如果按照我們的規格書來設計的話,完全能夠避免這一問題。

Q:在ISM公共無線頻道工作的諸多設備,特別是比較敏感的工業聯網數據,怎么應付潛在的安全隱患?

A:在工業環境下,安全確實被擺在很高的一個位置。所以我們在構建系統時也考慮了這一點,特別是像面向電網、水表與氣表等應用的時候,都有一些安全要求?,F在一個趨勢是,我們需要和一些加密團隊共同開發,包括一些從事國密技術的公司都有配合。我們的無線芯片和一些國密芯片項目可能會做一些SIP或者一些SoC,保證可以直接滿足用戶的需求。

目前我們公司在逐步把一些硬件加密的環節加上去,未來還會有一些軟件加密。最終通過硬件加密、網絡加密相互結合,打造一個在工業環境下比較安全穩定的數據傳輸方式。

Q:ST發布的stm32wl內置了一個LoRa收發器,它的MCU和LoRa結合的單芯片方案的成本、功耗、集成度對下游用戶更友好,那磐啟微Chirp-IoT是否也會有此考量?

A:有的。其實任何一個無線芯片的發展的趨勢都是說是從單芯片到SoC,但是我們也要考慮到客戶需求,因為最終還是客戶的需求決定一切。

其實在整個類似于這種低功耗廣域物聯網的市場里面,有些客戶有時候已經有自己的MCU系統,就不愿意去再切換到另外一個MCU平臺,所以只有單芯片的需求。但另一些客戶會希望你都能提供。所以我們將來在產品推廣過程中會推出不同系列,既有單芯片也有SoC,滿足不同客戶需求。

Q:目前很多線下超市、服裝店采用RFID,而磐啟的電子貨架主要采用的是2.4GHZ或者藍牙技術。這幾種技術有什么區別,各有什么特點呢?

A:好的,我大概講一下RFID和電子關系標簽它的區別。所謂的RFID,顧名思義它就是一個ID,所以說它信息量很少。而電子貨架標簽其實主要以一個電子墨水屏為主,功耗很低,能顯示商品的信息、價格、制造商以及提供二維碼,這個標簽可以用5~8年。所以這兩種本質上不是一個東西。

隨著現在整個新零售發展的話,越來越多的廠商采取這種以電子墨水屏為基礎的電子貨架標簽。RFID也不是說沒有,畢竟不同的產品有不同的應用需求場合。電子貨架標簽應該是一個未來趨勢,國內也在逐步普及。

Q:目前LoRa其實是有一個類似組織在推動,并且有了一個生態模式。那咱們Chirp-IoT目前有沒有一些相關的考量或者舉措?

A:任何一個通信系統也好,生態的確是非常重要。5G、4G為什么能發展這么大,顯然就是因為有一個3GPP的生態支持。但我們和3GPP這種可能有點不一樣,因為整個物聯網非常碎片化,有很多場景,包括電網、石油化工、手機、智能家居等。

所以,從目前的應用來看,很難有一種這種標準的協議能滿足所有產品的需求。它不像我們3G或者4G,反正就打電話、發短信、上網那些需求。在目前這種碎片化場景下,配置一種這樣大一統的東西,并不具有很大的市場需求。實際上,市場數據也顯示,目前市場上90%的友商產品還是點對點應用,而基于聯網的業務其實非常少。所以從整個市場看,這種生態驅動跟3GPP不可同日而語。

所以對我們而言,更重要的是考慮滿足一些不同的場景需求,并且面向具體場景做出相關的成套解決方案。同時,我們也是開放的,我們現在是一個底層的技術,我們也可以兼容一些目前主流的協議,比如阿里巴巴LinkWAN平臺,目前我們的產品正在完成它的認證,將來與阿里的整個互聯網平臺打通以后,那么我們可以在阿里的平臺上作為很重要的一個產品或者很重要的一個業務方向,給我們的相關客戶進行選擇。

作為一個底層的平臺,我們始終會保持一種被集成的姿態,去和不同的廠商不同的應用進行結合,共同融入整個生態中去。


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