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Varias tecnologías inalámbricas convencionales en el Internet de las cosas industrial

Fecha de lanzamiento: 2021-12-28Fuente del autor: KinghelmVistas: 831

Los escenarios de producción a gran escala involucran una gran cantidad de equipos, sistemas de aplicación de producción, trabajadores y productos. Las redes inalámbricas estables, de alta velocidad y fáciles de administrar son requisitos esenciales.


Las tecnologías de comunicación inalámbrica del Internet industrial de las cosas se dividen principalmente en dos categorías: una son las tecnologías de comunicación de corto alcance como ZigBee, WiFi y Bluetooth; La otra es lpwan (red de área amplia de baja potencia), es decir, tecnología de comunicación Wan de baja potencia. Lpwan se puede dividir en dos categorías: una es Lora, sigfox y otras tecnologías que funcionan en espectro no autorizado; La otra es la tecnología de comunicación celular 2/3/4G compatible con 3GPP, como ec-gsm, LTE cat-m, Nb IOT, etc.


Las diferentes tecnologías inalámbricas difieren en cuanto a redes, consumo de energía, distancia de comunicación y seguridad, por lo que tienen diferentes escenarios de aplicación. Por ejemplo, la tecnología Sub-1GHz es adecuada para aplicaciones con larga distancia de transmisión, suministro de energía por batería y robustez; Bluetooth es adecuado para alta velocidad, más transmisión de información y control de teléfonos móviles; Thread, Wi Fi y otras tecnologías también tienen sus propias ventajas y situaciones aplicables.


A continuación se enumeran las tecnologías inalámbricas más comunes en el Internet de las cosas industrial:

ZigBee, Bluetooth, Lora, Nb IOT, sigfox y la última tecnología WiFi halow.


Tecnología ZigBee

ZigBee se propuso formalmente en 2003. Su aparición es para compensar los defectos de Bluetooth protocolo de comunicación, como alta complejidad, alto consumo de energía, distancia corta, escala de red demasiado pequeña, etc. El nombre proviene de las abejas. Las abejas dependen de la "danza" del vuelo y del "zig" agitando sus alas para transmitir la información de ubicación del polen a sus compañeras. De esta forma forman una red de comunicación en el grupo.


ZigBee puede funcionar en tres bandas de frecuencia: 868 mhz ~ 868.6 mhz, 902 mhz ~ 928 mhz y 2.4 GHz ~ 2.4835 ghz. La última banda de frecuencia es universal en el mundo y cuenta con 16 canales. Es una banda de radio gratuita de pago y sin aplicaciones. Las velocidades de transmisión de las tres bandas de frecuencia son 20 kbps, 40 kbps y 250 kbps respectivamente.


ZigBee es un estándar de comunicación inalámbrica de corto alcance con bajo costo, bajo consumo de energía y bajo consumo de energía. Es una especificación de red inalámbrica especialmente diseñada para redes de control y sensores de baja velocidad. Tiene las siguientes características:


Bajo consumo de energía: debido a la baja velocidad de transmisión de ZigBee, la potencia de transmisión es de solo 1 MW y se adopta el modo de suspensión, el dispositivo ZigBee ahorra mucho energía. Se estima que los dispositivos ZigBee pueden durar entre 6 meses y 2 años con sólo dos baterías No. 5, lo que está fuera del alcance de otros dispositivos inalámbricos.


Bajo costo: el costo inicial del módulo ZigBee es de aproximadamente $6, que se estima se reducirá pronto a $1.5 ~ 2.5, y el acuerdo ZigBee está libre de tarifas de patente.


Baja complejidad: el tamaño del protocolo ZigBee es generalmente de 4 ~ 32 KB, mientras que Bluetooth y WiFi generalmente superan los 100 kb.


Retraso corto: el retraso de comunicación y el retraso de activación desde el estado de suspensión son muy cortos. El retraso de un equipo de búsqueda típico es de 30 ms, el retraso de activación del modo de suspensión es de 15 ms y el retraso de acceso al canal de un equipo activo es de 15 ms. Por lo tanto, la tecnología ZigBee es adecuada para aplicaciones de control inalámbrico con estrictos requisitos de retardo de tiempo (como ocasiones de control industrial).


Gran capacidad de red: una red Zigbee con estructura en estrella puede albergar hasta 254 dispositivos esclavos y un dispositivo maestro. Puede haber hasta 100 redes ZigBee en una región al mismo tiempo. Puede haber hasta 65000 nodos conectados en una red. La composición de la red es flexible.


Fiable: se adopta la estrategia para evitar colisiones y se reserva un intervalo de tiempo especial para los servicios de comunicación que requieren un ancho de banda fijo para evitar la competencia y el conflicto del envío de datos. La capa MAC adopta el modo de transmisión de datos completamente confirmado y cada paquete de datos enviado debe esperar la información de confirmación del receptor. Si hay un problema durante la transmisión, se puede retransmitir.


Seguridad: ZigBee proporciona una función de verificación de integridad de paquetes basada en verificación de redundancia cíclica (CRC), admite autenticación y autenticación, adopta el algoritmo de cifrado AES-128 y cada aplicación puede determinar de manera flexible sus atributos de seguridad.


Aunque ZigBee tiene las ventajas de bajo consumo de energía, bajo costo, baja velocidad, alta capacidad y larga duración de la batería, también tiene desventajas, es decir, mala antiinterferencia, corta distancia de comunicación y el protocolo ZigBee no es de código abierto.


Bluetooth Tecnología

Bluetooth La tecnología fue desarrollada por primera vez en 1994 por Ericsson, un gigante de las telecomunicaciones. Es el método más simple y conveniente para la comunicación inalámbrica de corta distancia entre dos dispositivos. Puede realizar el intercambio de datos a corta distancia entre dispositivos fijos, dispositivos móviles y crear redes de área personal. Bluetooth La tecnología se utiliza ampliamente en teléfonos móviles, PDA y otros dispositivos móviles, PC, dispositivos GPS y una gran cantidad de periféricos inalámbricos (Bluetooth auriculares, Bluetooth teclados, etc).


Bluetooth Adopta tecnología de salto de frecuencia y la banda de frecuencia de comunicación es de 2.402 ghz ~ 2.480 ghz. Hasta ahora, se han actualizado 10 versiones, a saber Bluetooth 1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0, y el radio de comunicación se extiende desde unos pocos metros hasta cientos de metros.


En comparación con la versión anterior de Bluetooth 4.2 o incluso más antiguo, Bluetooth 5.0 tiene las siguientes características:

Velocidad de transmisión más rápida: el límite de velocidad superior es de 2 Mbps, el doble que la versión 4.2le anterior.


Distancia efectiva más larga: la distancia efectiva es 4 veces mayor que la de la versión anterior. Teóricamente, la distancia de trabajo efectiva entre Bluetooth Los dispositivos de transmisión y recepción pueden alcanzar los 300 metros.


Función de navegación: se agregan más funciones de navegación, que pueden usarse como balizas de navegación interiores o dispositivos de posicionamiento similares. Combinado con WiFi, se puede realizar un posicionamiento en interiores con una precisión de menos de 1 m.


Más funciones de transmisión: se agregan más funciones de transmisión de datos. Los fabricantes de hardware pueden crear sistemas de conexión más complejos a través de Bluetooth 5.0, como servicios de baliza o localización.


Menor consumo de energía: el consumo de energía se reduce considerablemente. La gente ya no tiene que preocuparse por el tiempo de espera en el proceso de uso. Bluetooth.


La mayor ventaja de Bluetooth La tecnología es que no depende de una red externa, alta velocidad, bajo consumo de energía y alta seguridad. Mientras haya teléfonos móviles y dispositivos inteligentes, podrás mantener una conexión estable y conectarte dondequiera que vayas. La desventaja es que no se puede conectar directamente a la nube, la velocidad de transmisión es relativamente lenta, la capacidad de conexión en red es relativamente débil y hay pocos nodos de red, lo que no es adecuado para el control multipunto.


Tecnología Lora

Lora es un esquema de transmisión inalámbrica de ultra larga distancia y bajo consumo basado en tecnología de espectro ensanchado desarrollado y promovido por la empresa Semtech en Estados Unidos. Proporciona a los usuarios un sistema simple que puede realizar largas distancias, una batería de larga duración y una gran capacidad, para ampliar la red de sensores. En la actualidad, Lora opera principalmente en la banda de frecuencia libre global. La frecuencia operativa es de 915MHz en Estados Unidos, 868mhz en Europa y 433MHz en Asia. El alcance típico es de 2 km a 5 km, y la distancia más larga puede ser de hasta 15 km, dependiendo de la ubicación y las características de la antena.


La tecnología Lora tiene las siguientes características:

Bajo consumo de energía: la distancia de comunicación puede alcanzar los 15 km, la corriente de recepción es de solo 10 mA y la corriente de reposo es de 200 na, lo que prolonga la vida útil de la batería.

Gran capacidad: puede cubrir unos 2 km en el entorno urbano con edificios densos y hasta 10 km en los suburbios con baja densidad.

Soporte de alcance y posicionamiento: la medición de distancia de Lora se basa en el tiempo de transmisión aérea de la señal, mientras que el posicionamiento se basa en la medición de la diferencia de tiempo de transmisión espacial entre múltiples puntos (puertas de enlace) y un punto (nodos), y la precisión de posicionamiento puede alcanzar 5 m (suponiendo un alcance de 10 km).

Por lo tanto, la tecnología Lora es muy adecuada para aplicaciones de Internet de las cosas que requieren bajo consumo de energía, larga distancia, una gran cantidad de conexiones y seguimiento de ubicación, como estacionamiento, seguimiento de vehículos, industria inteligente, ciudad inteligente, comunidad inteligente, etc.

Las desventajas de Lora son que la velocidad de transmisión es lenta, la banda de frecuencia de comunicación se altera fácilmente, Semtech monopoliza el suministro de chips, el ciclo de desarrollo desde abajo es largo y el mecanismo de red de la red ad hoc es complejo. Por lo tanto, las empresas en general se muestran reacias a estudiar la tecnología Lora y prefieren comprar módulos para uso directo.


Tecnología NB IoT

La tecnología NB IOT (Internet de las cosas de banda estrecha) se originó en neul, una nueva empresa británica (adquirida por Huawei en 2014), que se centra en el mercado de Internet de las cosas (IOT) de baja potencia y amplia cobertura.

A diferencia de todos los anchos de banda de 10 MHz o 20 MHz que utilizan LTE estándar, Nb IOT utiliza bloques de recursos de 180 kHz de ancho que contienen 12 subportadoras LTE de 15 KHz y la velocidad de datos está en el rango de 100 kb/s a 1 MB/s.

NB IOT utiliza la banda de frecuencia autorizada y puede adoptar tres modos de despliegue: en banda, banda de protección o portadora independiente para coexistir con la red existente.


Como tecnología aplicada a servicios de baja tarifa, Nb IOT tiene las siguientes ventajas:

Bajo consumo de energía: NB IOT sacrifica velocidad, pero vuelve a un menor consumo de energía. Con un protocolo simplificado y un diseño más apropiado, el tiempo de espera del terminal mejora enormemente. ¡El tiempo de espera de algunos terminales NB es de hasta 10 años!


Bajo costo: en comparación con Lora, Nb IOT no necesita reconstruir la red y la RF y la antena básicamente se pueden reutilizar. La baja velocidad, el bajo consumo de energía y el bajo ancho de banda también aportan ventajas de bajo costo a los chips y módulos NB IOT, y el precio del módulo no supera los 5 dólares.


Conexión masiva: en el caso de la misma estación base, Nb IOT puede proporcionar entre 50 y 100 veces más accesos en comparación con las tecnologías inalámbricas existentes. Un sector puede admitir 100000 conexiones, baja sensibilidad de retardo, coste de equipo ultrabajo, bajo consumo de energía del equipo y arquitectura de red optimizada.


Amplia cobertura: NB IOT tiene una sólida cobertura en interiores. Bajo la misma banda de frecuencia, Nb IOT tiene una ganancia de 20 dB en comparación con la red existente, lo que equivale a mejorar el área de cobertura 100 veces.


Aunque NB IOT tiene muchas ventajas, su transmisión de datos de baja velocidad, su privacidad y seguridad, el tiempo de conversión del sistema de TI y otros problemas limitarán su desarrollo.



Tecnología Sigfox

Sigfox se origina a partir de la red inalámbrica construida por la empresa francesa sigfox con tecnología de banda ultra estrecha (UNB). No es sólo una tecnología inalámbrica, sino también un servicio de red.


Sigfox opera en la banda ISM de 868 mhz y 902 mhz, consumiendo un ancho de banda o consumo de energía muy estrecho.


Los equipos de radio Sigfox adoptan una tecnología llamada modulación de banda ultra estrecha (UNB). Ocasionalmente transmite mensajes cortos a baja velocidad de datos. La longitud máxima del mensaje es de 12 bytes. Un nodo puede transmitir hasta 140 mensajes por día. Debido al estrecho ancho de banda y a los mensajes cortos, puede alcanzar una larga distancia de transmisión de varios kilómetros además de su presupuesto de enlace de 162 dB. Sigfox es una excelente opción para aplicaciones en ráfagas que solo necesitan enviar datos pequeños y poco frecuentes.


La desventaja de sigfox es que la transmisión de datos al sensor/dispositivo (capacidad de enlace descendente) está seriamente limitada y la interferencia de la señal también puede ser un problema.


Tecnología Halow

La conexión inestable, la baja eficiencia y los periodos intermitentes siempre han sido un dolor de cabeza para la tecnología WiFi.


Halow es una nueva versión de WiFi adecuada para aplicaciones industriales de Internet de las cosas, cuyo nombre en código es 802.11ah. Permite aplicar WiFi a más lugares, como dispositivos portátiles de pequeño tamaño que funcionan con baterías. Al mismo tiempo, también es adecuado para su implementación en instalaciones industriales y aplicaciones intermedias.


Halow adopta una banda de frecuencia de 900 MHz, que es inferior a las bandas de frecuencia de 2.4 GHz y 5 GHz del WiFi actual. Es más adecuado para cargas de datos pequeñas y equipos de bajo consumo. Estados Unidos utiliza la banda de frecuencia sin licencia de 902 mhz a 928 mhz, y otros países utilizan bandas de frecuencia similares por debajo de 1 GHz. Aunque la mayoría de los dispositivos WiFi solo pueden alcanzar una cobertura máxima de 100 m en condiciones ideales, Halow puede alcanzar hasta 1 km con una antena adecuada, la señal es más fuerte y no es fácil que la molesten. Hailow afirma que su distancia de transmisión es el doble que la del WiFi estándar de 2.4 GHz y que tiene una mayor capacidad de penetración en las paredes. Halow no es adecuado para la transmisión rápida de datos y la navegación web (lo que tiene poco impacto en los dispositivos IoT). Además, 900 MHz es una banda de frecuencia no autorizada y vulnerable a interferencias.


La marca "kinghelm" fue registrada originalmente por la empresa golden beacon. Golden beacon es un fabricante de venta directa de antenas GPS y antenas Beidou. Tiene una gran popularidad y reputación en la industria de posicionamiento y navegación GPS de Beidou. Los productos de I+D y producción se utilizan ampliamente en navegación y posicionamiento por satélite BDS, comunicación inalámbrica y otros campos. Los productos principales incluyen: red rj45-rj45, conector de interfaz de red, adaptador de conector RF, conector de cable coaxialConector tipo CInterfaz HDMI, interfaz tipo C, disposición de pines y busSMA, FPC, conector de antena FFC, conector impermeable de transmisión de señal de antena, interfaz HDMI, USB conector, línea de terminal, bloque de terminales, bloque de terminales, etiqueta RF RFID, antena de posicionamiento y navegación, línea de conexión de antena de comunicación, antena de palo de goma, antena de ventosa, Línea de antena 433, antena 4G, antena de módulo GPS, etc. Es ampliamente utilizado en la industria aeroespacial, de comunicaciones, militar, de instrumentación, de seguridad, médica y otras industrias.


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