如何实施无线诊断工业物联网

　　世界各地有许多不同的未授权频段用于无线 *** 作，每个频段对于收集工业物联网 （IoT） 的诊断数据具有不同的含义。某些频段（例如 2.4 GHz）具有标准化协议，例如 ZigBee、蓝牙和 Wi-Fi，可用于收集来自工业设备的数据和有关工业设备的数据，以及访问有关网络的诊断数据。1其他 sub-GHz 频段虽然可能成本更低、范围更远，但不提供这些功能。

　　图 1：全球未经许可的无线频段。

　　申请要求也很重要。与流式视频或文件传输相比，用于诊断的工业物联网应用需要的数据更少，因此设计人员有更多选择。网络的规模和定位也很重要。更高的频段提供更多的通道和更多的带宽，因此可以服务于更大的网络并推动更多的数据吞吐量。低频无线电波比高频传播得更好，因此可以达到更好的范围，尤其是在建筑物内。

　　这些频段中的每一个也有不同的优化和处理要求。2.4 GHz 频段协议的更高性能要求对无线收发器的设计和功耗产生了重大影响。然而，德州仪器等公司的硅设计不断发展，不断更新技术，通过更高水平的数字和模拟组件集成来降低成本和功耗。

　　拓扑

　　无线网络也可以按节点的连接方式进行分类。拓扑结构各不相同，从所有节点都连接到一个中央节点（通常是 Internet 的网关）的星型到每个节点都可以连接到多个其他节点的网格，其中一个节点可以用作 Internet 网关。

　　图 2：针对范围、吞吐量和网络拓扑表征不同的无线协议。

　　星形拓扑的一个流行示例是 Wi-Fi 网络，其中一个中心节点作为接入点 （AP），其他节点作为站点。蓝牙也可以是一个以智能手机或平板电脑为中心节点的星型网络。

　　网状网络的一个示例是 ZigBee Light Link 网络，其中多个照明设备形成网状网络，以扩展大型建筑物中的网络覆盖范围。其中一个 ZigBee 节点称为协调器，它通常也用作 Internet 网关。

　　然而，与星形网络相比，网状网络的设计更复杂，并且通过网状网络从远程节点路由消息的延迟可能更长。网状拓扑的好处是它可以通过多跳扩展网络范围，同时保持低无线电传输功率。如果一个节点发生故障，它们还可以通过启用多个路径通过网络中继消息来实现更好的可靠性。

　　网络的规模也是一个重要的考虑因素。例如，蓝牙支持多达 20 个连接，尽管它正在通过网状网络功能进行扩展。ZigBee 等其他协议可以支持数千个连接。

　　星型和网状拓扑均已在协议中标准化，主要运行在 2.4 GHz，尽管 ZigBee 也可用于 sub-GHz 频段。在这里，数据带宽被换成更长的范围，非常适合诊断数据。

　　Sub-GHz 频段

　　全球不同地区的 sub-GHz 频段从 315 MHz 到 915 MHz 不等。通过拥有灵活的射频前端，可以生产出具有成本效益的片上系统，该片上系统可以在所有不同的频段上运行。这允许使用 CC1310DK-KIT-ND 等模块轻松设置低数据速率诊断链路。

　　图 3：无线模块简化了工业物联网诊断数据的采集。

　　这些模块使用 CC1310，这是低于 1GHz 的经济高效、超低功耗无线 MCU 系列中的第一款。CC1310在支持多个物理层和射频标准的平台中结合了灵活、极低功耗的射频收发器和强大的 48 MHz Cortex-M3 微控制器。

　　该架构的一个关键部分是专用无线电控制器（使用 Cortex-M0 内核），它处理存储在 ROM 或 RAM 中的低级 RF 协议命令，从而确保超低功耗和灵活性以支持不同频段和不同的专有物理层协议。

　　对于诊断应用，传感器可以通过专用的自主超低功耗控制器块以非常低的功耗方式处理，该控制器块可以配置为处理模拟和数字传感器。这允许主 Cortex-M3 内核在最长的时间内保持睡眠模式以降低功耗。

　　电源和时钟管理以及无线电系统需要通过软件进行特定配置和处理才能正确运行，这已在 TI 实时 *** 作系统 （RTOS） 中实现。完整的 TI-RTOS 和设备驱动程序以源代码的形式免费提供。

　　ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 链路层标准，是一种低吞吐量、低功耗和低成本的技术，可在 2.4 GHz ISM 频段提供高达 250 kbit/s 的速率，尽管该规范还支持 868 MHz和 915 MHz ISM 频段。它还能够保持非常长的睡眠间隔和低工作占空比，由纽扣电池供电数年。

　　该标准在 802.15.4 链路层之上定义了更高的网络层，并且各种应用程序配置文件支持可互 *** 作的实施，CC1130 的性能可以支持这些协议用于 sub-GHz 频段 *** 作。

　　ZigBee 可用于多种应用，但它在智能能源、工业自动化和照明控制方面已获得发展势头。

　　其成功的原因之一是可以包含多达数千个节点的网状网络拓扑。

　　为了连接到物联网，ZigBee 网络需要一个应用级网关，该网关是网络中的节点之一。该网关使用以太网或 Wi-Fi 连接来连接到 Internet，与 ZigBee 堆栈并行运行 TCP/IP 堆栈和应用程序。

　　为工业物联网构建专有网状网络可能既耗时又昂贵，尤其是考虑到需要确保所有节点免受黑客攻击，这就是许多现有网络使用星形拓扑的原因。因此，在 sub-GHz 频带中使用 ZigBee 来提供诊断数据因其可扩展性、低功耗和耐用性而受到关注。

　　2.4 GHz 频段

　　2.4 GHz ISM 频段为工业物联网中的无线连接提供了许多不同的选项。ZigBee、蓝牙和 Wi-Fi 都是可以与星形或网状网络一起使用的协议，以提供来自工业设备的诊断数据。

　　CC2640无线 MCU包含一个 ARM® Cortex®-M3 （CM3） 内核，该内核运行应用程序以及蓝牙或 ZigBee 协议栈的更高层。CM3 处理器提供了一个高性能、低成本的平台，该平台可满足最小内存实现和低功耗的系统要求，并具有对收集诊断数据所需的中断的快速系统响应。

　　图 4：CC2540 结合了 ARM Cortex-M3、Cortex-M0 和专有传感器控制器，为 2.4 GHz 频段提供灵活的无线节点。

　　与 CC1130 一样，RF 内核包含一个 ARM Cortex-M0 处理器，该处理器连接模拟 RF 和基带电路，处理进出系统端的数据，并将信息位组装成给定的数据包结构，以便通过网络分发到基于云的应用程序。内核使用高级、基于命令的 API 到主 CPU 来传输数据，尽管应用程序开发人员无法访问。

　　RF 内核能够自主处理低功耗蓝牙无线电协议的时间关键方面，减少主 CPU 的负载并为用户应用程序留出更多资源，并拥有自己的 4 KB SRAM 块，最初运行于单独的ROM存储器。

　　CC2640 用于工业物联网诊断的关键部分是传感器控制器。这是一款专有的功率优化控制器，可选择性地启用不同的外围设备，例如温度传感器和数据采集子系统。控制器可以自主读取和监控传感器或执行其他任务，从而显着降低功耗并减轻主 CM3 CPU 的负载。

　　传感器控制器使用基于 PC 的配置工具（称为 Sensor Controller Studio）进行设置，可用于控制使用集成 ADC 的模拟传感器和使用 GPIO、bit-banged I 2 C 和 SPI 的数字传感器。它还可以与 UART 通信一起用于传感器读取或调试，也可用于电容感应、波形生成、脉冲计数和用于轮询旋转传感器的正交解码器。来自这些传感器的数据可以通过 RF 核心将诊断信息提供回云中的应用程序。

　　设备的 Always On （AON） 部分包含在有电源时始终启用的电路。这包括实时时钟，可用于将设备从处于活动状态的任何状态唤醒。RTC 包含三个比较寄存器和一个捕捉寄存器。通过软件支持，RTC 可用于时钟和日历 *** 作。电池监视器和温度传感器可通过 AON 由软件访问，并提供电池状态指示以及可用于无线节点诊断的粗略温度测量。如果电池出现问题，或者节点过热，则可以将数据发送到网络监控软件，然后作为对运营商的警报。

　　结论

　　为工业物联网解决未经许可的无线频段范围可能是一项挑战，尤其是在处理诊断数据方面。最新的片上系统射频收发器结合了高能效和优化的控制器，可以处理诊断数据并将其中继到网关节点，以传输到云端的专业应用程序。该数据可用于诊断工业设备和无线网络本身的健康状况，以预测问题。然后，这些数据可用于通过主动维护和更换来避免代价高昂的停机。