如何为工业物联网选择最节能的通信方案?

为工业应用中的工业物联网(IIoT)设备选择通信方法时必须考虑以下几个因素：最大吞吐量、距离范围、部署区域的可用性以及能源消耗。本文讨论了主要的通信协议及其对能源消耗的影响。

IIoT 应用包含连接到传感器节点的传感器组。传输时间由两个节点之间的距离、数据速率和信息大小决定，所有这些都会对能源优化产生影响。事实上，数据速率越高，接收/传输数据所需的时间就越短，能耗也随之降低。传感器节点通常是电池供电的设备，其使用寿命受电池技术、设计及制造质量等多个外部因素影响。

采用无线连接解决方案可为设备提供极低的能耗，同时保持快速传输大量数据的能力，无论距离远近，确保经济可行性。

工业应用中使用的无线通信技术：

如下图所示，工业应用中的无线网络通常分为三类：无线个人局域网 (WPAN)、无线局域网 (WLAN) 及无线广域网 (WWAN)。

无线连接技术

WPAN 覆盖范围通常为大约 100 米。此类设备的 BLE、ZigBee、NFC 及 Thread 连接通常具有低无线电传输能耗，并且使用的电池较小。大多数情况下，这些设备处于睡眠模式。一旦有事件发生，设备便会唤醒，并发送短消息给网关、PC 或智能手机。典型 BLE 模块的最大/峰值功耗为 39mA 或更低，而平均功耗约为9 μA。其有效功耗仅为传统蓝牙技术的十分之一。在低负载周期应用中，纽扣电池可确保可靠运行 5-10 年。

WLAN 的覆盖范围通常可达 1000 米。Wi-Fi 是最常见的标准。802.11 ax 是最新一代 Wi-Fi 标准之一，也称为 Wi-Fi 6。Wi-Fi 6 提供更高的数据速率和容量(高达 9.6 Gbps)，可在2.4 GHz 和 5 GHz 频谱上运行。Wi-Fi 6 还引入了一项新技术，可优化客户端的功耗需求。目标唤醒时间 (TWT) 允许接入点和客户端通过协商确定接收器确切的唤醒时间，以接收发送方传输的数据，从而减少功耗。

WWAN 的覆盖范围通常可达 100 千米。蜂窝技术(2G、3G 和 4G)用于远程设备连接。目前正在部署的 5G 技术保证了高带宽和极低的延迟，这将有利于其被广泛采用。蜂窝连接一直以来专注于覆盖范围和带宽，但往往以牺牲能耗为代价。设备产生的大量数据很难快速处理，同时数据在连接设备间传输的往返延迟也很高。然而，5G 等新型蜂窝技术传输数据的速度比 4G 快 10 倍，有望实现超低延迟和更低功耗。

低功耗广域网 (LPWAN) 技术非常适合机器对机器通信 (M2M) 和 IoT 设备的特定需求。该技术具备低功耗特性，且长距离传输能力突出，农村地区范围可达 10-50 千米，城市地区则为 1-10 千米。该网络可在许可频谱(NB-IoT 和 LTE-M)和非许可频谱(Sigfox 和 LoRa)中工作。

LTE-M 针对更高带宽和移动连接进行了优化。它在上行和下行链路上都减少了1.4 MHz的设备带宽，最大传输功率减少了20 dBm， FDD(频分双工)的LTE覆盖范围提高了15 dB，并增强了LTE DRX周期，实现了更长的非活动周期，从而优化了电池寿命。NB-IoT 提供较低带宽的数据连接，上行链路和下行链路的设备带宽均为 200 kHz。比 LTE 覆盖范围提高20dB。

Sigfox 和 LoRa 都使用异步通信协议。Sigfox 和 LoRa 终端设备非运行期间，大部分时间都处于休眠模式，减少功耗。Sigfox 和 LoRa 支持使用 C 类传输方式处理双向低延迟，代价则是增加能耗。

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