使用开源工具设计一个无线工业物联网网关

无线:软件定义无线电(SDR)硬件和开源编程软件提供了专有无线通信系统的替代方案，有助于改善工业物联网(IIoT)网络。

通过Paul Dillien，高科技营销 2018年9月4日

尽管有很多关于工业物联网(IIoT)将如何改变工厂自动化的讨论，但没有统一的技术将各种“事物”连接在一起，这导致了系统之间的不兼容性。不同工业无线标准之间的连接可以通过开源软件定义无线电(SDR)技术实现。

兼容性问题可以通过查看IIoT来最好地说明，这是一个应用程序子集，其中普遍连接提供了显著的好处。一家领先的通信设备供应商估计，目前超过90%的工业机械没有连接到任何网络。传感器可以提供生产线效率和吞吐量、设备装载、资产跟踪、能源消耗和设备磨损监测等实时信息。拥有这些数据将使工厂提高效率，降低成本，预测维护需求，并减少机器停机时间。

控制计算机可以运行机器学习(ML)算法来检测数据中的模式，并调整程序操作以最大限度地利用资产。收集到的“大数据”可以提取出来供人类分析和理解。完全互联和自动化的智能工厂的愿景有时被称为工业4.0。

除非来自整个设备的数据通信能够被收集、分析并在多个数据源之间共享，否则连接机器的优势就会被削弱。对于新建的场地来说，安装支持开放标准的新机器可能更容易。然而，大多数工业综合体都有一系列需要改造的旧设备。

不兼容的无线标准

提高互联性的主要障碍是可能有多个供应商在大多数站点上提供机器。每个供应商可能都有不同的方法来采用工业物联网，其中包括无线以获得最大的灵活性，但在无线链路和协议之间没有标准之间的互操作性。其中包括Wi-Fi、NB-IoT(也称为Cat- nb1)、LTE MTC Cat M1、Long Range (LoRa)、Sigfox、Ingenu、WirelessHART、Weightless、2G扩展覆盖的GSM IoT (EC-GSM-IoT)、3G、蓝牙低能耗(BLE)和ZigBee。

每种技术都有优点和限制，用例可能决定选择。低功耗广域网(LPWAN)方案，如LoRa、NB-IoT和Sigfox，更适合低数据速率的远距离链路，而通过Wi-Fi和蓝牙的无线电访问非常流行，但范围有限。一种名为HaLow的新Wi-Fi变体正在加入其中。它使用IP数据包和更低的频率，提供更大的范围和渗透。

多个参与者在不兼容的系统下竞争工业物联网业务，这对任何寻求转向工业4.0的工厂信息技术(IT)部门来说都是一个缺点，因为它可能需要多个中心和网关来收集和整理数据进行分析。

无线电接入技术

SDR可以支持广泛的无线技术，结构紧凑、可编程、开源、全双工，并且“支持应用程序”，这意味着它可以在从应用程序商店下载代码后进行配置。这种无线电需要通信手段和控制器，如双收发器现场可编程射频(FPRF)设备和现场可编程门阵列(FPGA)芯片。该电路板通过USB 3.0连接器或PCIe接口插入合适的处理器(通常是PC机)。的开源应用程序可以启用运行Linux的处理器SoapySDR项目，可以“按原样”使用，也可以修改以提供确切的需求。

基于开源ubuntu的应用程序可用于GSM和LoRa，一个活跃的生态系统正在开发大量的新应用程序。硬件设计人员可以使用板上的英特尔FPGA对各种无线标准的数据进行编码和解码;开源软件正在普及。FPGA也可以用来加密数据，以避免“在清晰的”传输。

应用实例

让我们考虑一个工厂中的应用程序，其中一些机器使用WirelessHART，另一些机器使用Sigfox和LoRa。WirelessHART通常使用2.4 GHz ISM频段，而Sigfox在北美使用基于902 MHz载波的超窄带(UNB);920兆赫在南美洲，澳大利亚和新西兰;EMEA为868 MHz。LoRa系统使用chirp扩频(CSS)无线电运行IEEE 802.15.4，该无线电可以在典型的15公里范围内以非常低的功率工作，即使在接收信号水平低于噪声下限时也可以解码。

虽然可以使用2.4 GHz，但建议在工业现场使用较低的频率，以达到更大的范围和更好的建筑物穿透。在北美，应使用902至928 MHz;欧洲系统为868.0至868.6 MHz;亚洲为433兆赫。

作为一个例子，让我们看看SDR中LoRa网关的设计。LoRa非常适合于具有不需要频繁读取或轮询的慢速读数的远程传感器。网关的设计涉及到检测和生成LoRa啁啾，这些啁啾是使用所有分配的信道带宽的线性调频扫描。数据以啁啾频率瞬时变化的模式传输。

最初，网关必须实现所谓的通道活动检测(CAD)。CAD形成一个序文或训练序列，并通过发送8个符号或啁啾和1个反向啁啾来识别。这使接收机同步或对齐，随后的数据由啁啾中的频率不连续表示。

FPRF寄存器装载中心频率、增益设置和所需带宽，设备输出代表接收信号的数字数据流。这需要由FPGA处理，FPGA使用快速傅里叶变换(FFT)将数据分解为频率箱。每个数据仓中结果的大小用于解码传输。

由于发射机对数据进行编码以增强系统的鲁棒性并增加正确接收的概率，因此需要在FPGA中进行进一步的处理。FPGA配置有deinterleave和forward error correction (FEC)功能。

通过使用开源材料，许多工程师合作解决了相同的问题，从而简化了复杂网关的设计。例如，用户可以从应用程序商店下载一个经过验证的开源LoRa调制解调器，这大大节省了时间、金钱和风险。如果唯一的要求是检测和传输LoRa信号，那么答案就是简单地将开源软件下载到SDR中。

LoRa技术只适用于时间不紧迫的数据，因为它携带不频繁的小消息，最大数据包长度为256字节。工业环境可能包含其他通信手段。在本例中，还需要对WirelessHART和Sigfox的支持。网关必须适应多种频率、带宽和不同的调制类型。

网关系统可能被安排为以轮询方式轮询不同的远程节点，或者可能使用预先安排的时隙访问每个节点。因此，最佳的解决方案是与多个无线系统兼容的系统，并且可以将支持这些标准的附加功能添加到SDR中。

开源的灵活性

开源材料的主要优势是功能可以根据应用需求进行修改。文档允许软件设计人员理解代码的操作。此外，论坛和博客可以回答许多常见问题，开源社区可以帮助整理问题和回答问题。软件工程师可能从下载LoRa文件开始，然后在SDR上增强系统以支持其他技术。

有修改系统的选项。SoapySDR支持厂商中立的支持库，其中设计人员可以访问c++ api、C包装器和Python绑定。这些数据包括代码操作的详细说明，可以作为新设计的起点。

开源软件

使用免费的开源软件来编程SDR。图形用户界面(GUI)驱动的设计环境允许对射频芯片的各个方面进行控制，例如带宽或频率。这是通过FPGA通过串行外设接口(SPI)连接加载数据来实现的，以设置所需的无线标准。可以实时执行下载到板上的操作，并且可以使用硬件在环(HIL)检查系统性能。一旦RF设计最终确定，FPRF设置就可以保存以供最终系统使用。

SDR的控制逻辑在FPGA中处理，命令可以通过USB端口下载到模块中。FPGA功能可以修改，这是一项以前分配给硬件设计团队的任务，该团队具有设备设计所需的专业技能。这被认为是供应商在电子产品中更广泛采用fpga的最大障碍之一。因此，他们做出了巨大的努力，为软件或非专业社区提供更简单的设计流程。

Altera是这方面的先行者，在英特尔收购Altera后得到了进一步的推动。OpenCL首创抽象了FPGA架构的复杂性，以促进高级硬件设计。用于OpenCL的英特尔FPGA SDK使用源自C的低级编程语言，允许软件工程师在熟悉的开发环境中工作，在那里他们可以模拟内核并验证功能。该软件突出任何瓶颈，并产生详细的优化报告。

还有一个概要分析器，可以用来检查系统性能。设计完成后，将传递给Intel Quartus FPGA设计软件，该软件执行到FPGA资源的映射。

更方便的无线连接

工业物联网是推动工业自动化达到更高水平不可或缺的一部分，无线连接必须在整个工业物联网战略中占有一席之地。一些方案利用未授权的频谱lpwan，而另一些方案可能部署新兴的蜂窝标准。

一种无线通信技术不太可能覆盖所有需求，这就需要一种可配置的网关，以覆盖广泛的选项。开源SDR硬件和软件通信的可用性提供了专有无线通信系统的替代方案。

保罗Dillien他是高科技营销公司的顾问。https://www.high-tech-marketing.co.uk/内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程， CFE传媒，mhoske@cfemedia.com．

关键词:工业无线、无线网关