工业物联网开发的最大希望是从物质世界来的数字数据的爆炸性增长,这些数据的适当使用可以提高我们生活的效率和质量,跨越一系列环境,从我们的家庭和城市到我们的工厂和办公室,以及之间的一切。

根据 世界经济论坛 到2020年底,人类将产生大约44个零字节的数据。这种累积的"数字宇宙"主要是由我们集体的互联网搜索、信息、社交媒体活动和娱乐消费形成的。换句话说,主要是"数字本地"数据。

国际物理观察组织的最终愿景将以指数级的速度加速数据的生成,因为它努力将数万亿物理世界端点的可操作的见解转化为信息。然而,尽管有其潜力,但国际物流组织一直没有达到分析师的预期。

在规模上实现生物技术指标的挑战

最基本的限制之一是规模--要实现如此巨大的价值,就需要有如此大量的传感器的无线网络,以便从根本上挑战当今技术能力的界限。

大规模部署传感器的一个挑战是功率问题。数万亿个传感器将需要数万亿个电池,使世界处于电池维护的仓鼠轮上,从成本、物流和可持续性的角度看,这是无法证明其好处的。

能量收集提供了一种解决办法,使传感器能够在没有电池的情况下工作,而不是依靠环境能源,如温度差、振动和光线。

解决一阶的电力规模问题,对于实现万亿美元的梦想有很大的帮助。它避免了不间断的更换电池这一让人麻木的任务。根据你对电池进步的看法,这样一个电池操作设备的世界每天需要2.74亿到9.13亿次的更换--这是一种无法持续的方法,用于提高效率的一类技术。

另一个主要挑战是无线网络。特别是,利用一个无线协议,它不仅能够在低功率的情况下运行,使电池不受影响,而且还能同时支持高密度网络、低延迟操作、充足的数据速率和可靠的范围。

现有的无线协议不需要电池就需要太多的电力,所以他们不能完全依靠能量。对于那些可以使用较低功率操作的人来说,无线范围很小,而且这些协议不会扩展到大量的设备。研究人员正在开发能够同时解决所有这些问题的新的无线协议。

规模无线网络

在一秒钟内,无线传感器网络与一万亿个连接设备到底会是什么样子?根据今天300亿个连接设备和地球上约4000万平方英里的可居住土地的最新估计,我们可以估计出,地球上每平方英里分布着750个设备。有了一万亿个设备,每平方英里就有25000个设备。

当然,设备分布不均匀。相反,在相互关联的"事物"和人口集中之间存在着某种相关性;在人口中心及其周围部署了更多的技术。

如果我们在全世界78亿人口中分配1万亿个连接设备,我们将每人拥有128个设备。如表1所示,这将使大都会和人口较少的城市的设备密度惊人。

平均来说,美国前10名。大城市,包括城市中心和周围的郊区,需要把193,171个设备塞进每平方英里。但这不仅仅是世界上最大城市的问题。对于中等规模的城市,如密执安阿伯,设备密度。北卡罗来纳州夏洛茨维尔加州圣克拉拉。,超过前十位平均值。

无线标准比较

随着能量问题通过能量收集来解决,现在需要一个一万亿个自我维持节点在现实世界中进行可靠的通信。它们不仅需要完全依靠所获得的能源预算来运作,而且还需要通过各种物理障碍和无线干扰尽可能近实时地传送有意义的数据包。这些节点将必须完成所有这些工作,同时在已经提到的其他设备的高度浓度中共存。

Wi-Fi和手机窄带无线电或许是当今最普遍的无线标准,但每一个标准都需要过多的电力才能使用所节省的电力,因此必须依靠电池。然而,即使有电池,这些网络的功率也太高,无法持续通信。要在任何可忍受的寿命内持续下去,Wi-Fi和蜂窝式无线电设备必须大大调节传输,最多只能每天发送几次数据。

其他个人和局域网,如蓝牙和Zigbee,提供了低功率的解决方案,但是它们的范围很小,而且它们不会扩展到大量的设备。他们还需要附近的智能手机或网关。对于智能家居和可穿戴设备等消费应用程序来说,这些已经足够了,但不能成为连接1万亿个设备的答案。

一套针对移动通信网的新的无线标准是低功率广域网(LPWAN),如洛拉和西格狐。虽然这些无线协议提供了更长的通信范围,但它们并不支持高数据速率。像Wi-Fi和手机一样,这些协议通常将每天的传输次数限制在很少的时间,这使得它们不适合需要实时观察的应用程序。

所有这些协议都有一个共同点,那就是它们必须通过无线电"任务周期"来降低功率消耗。这意味着他们的收音机大部分时间都在关闭以节省电源,这正是为什么这些解决方案有更高的延迟,更低的吞吐量和花费大量的电源在同步时,当收音机确实打开并需要重新连接网关。

新的无线标准

如果您正在遵循新出现的5G标准,您可能知道它主要侧重于速度、吞吐量和数据量。虽然5G确实将在移动视频流媒体、游戏和其他高带宽应用领域创造奇迹,但蜂窝标准太过耗电,没有电池就无法运行。在支持无电池操作之前,无线标准将无法解决数万亿个自我维持的工业物联网开发设备的扩散问题。

5G社区正在认真考虑增加多功能测试标准,以适应广泛的低功率设备和应用。这些应用被广泛地分类为大规模机器式通信(MMTC),目标是大量的低功率设备,以及超可靠的低延迟通信,目标是工业控制和自主车辆。

为了适应这两种情况,目前正在开发单独的细胞核电站协议。这些协议是建立在细胞框架之上的;今天和将来的5G新无线电(NR)。由于这些工业物联网开发协议与高性能的蜂窝协议共享频谱,所以即使是工业物联网开发设备也有严格的性能要求,以避免对现有设备的干扰。

一种可以作为新无线协议模型的方法是与FCC兼容的一种新的专有无线网络解决方案,该方案旨在支持高密度的无电池设备。它利用一个一直在使用的超低功率接收器,以大幅降低功率消耗,同时支持数千个具有毫秒延迟和超过250米的非视线范围的传感器。

核心的URP一直接收机能够真正的持续运行,使工厂能够实现真正的实时洞察力,而不带关税骑自行车,以节省电池寿命。拥有几百米的非视线范围,以及连接每个网关数千个设备的网络计划,埃弗特提供了这种洞察力,其基础设施足迹最小。表2提供了每一个竞争的低功率的核电站清单协议的比较。

最后的想法

制造厂、炼油厂和其他大型校园,都在寻求从IIAT技术中获益,他们面临着一系列的选择,从传感器设备到云分析平台,这些选择涵盖了整个技术堆栈。如何将数据从这些设备传输到云平台是难题中的一个关键环节,对安装和维护、可伸缩性和数据可靠性有着重大影响。最终,选择正确的无线网络将在解决方案的所有权总成本中发挥重要作用,并产生投资回报。

如果我们继续打破电力和无线网络技术的障碍,实现一万亿个设备,想象一下工业物联网开发能有多大的影响力。