如何為工業物聯網選擇最節能的通信方案？
http://www.debgrams.com 2025-04-17 10:29 來源：e絡盟技術團隊
為工業應用中的工業物聯網（IIoT）設備選擇通信方法時必須考慮以下幾個因素：最大吞吐量、距離范圍、部署區域的可用性以及能源消耗。本文討論了主要的通信協議及其對能源消耗的影響。
IIoT 應用包含連接到傳感器節點的傳感器組。傳輸時間由兩個節點之間的距離、數據速率和信息大小決定，所有這些都會對能源優化產生影響。事實上，數據速率越高，接收/傳輸數據所需的時間就越短，能耗也隨之降低。傳感器節點通常是電池供電的設備，其使用壽命受電池技術、設計及制造質量等多個外部因素影響。
采用無線連接解決方案可為設備提供極低的能耗，同時保持快速傳輸大量數據的能力，無論距離遠近，確保經濟可行性。
工業應用中使用的無線通信技術：
如下圖所示，工業應用中的無線網絡通常分為三類：無線個人局域網 (WPAN)、無線局域網 (WLAN) 及無線廣域網 (WWAN)。
無線連接技術
WPAN 覆蓋范圍通常為大約 100 米。此類設備的 BLE、ZigBee、NFC 及 Thread 連接通常具有低無線電傳輸能耗，并且使用的電池較小。大多數情況下，這些設備處于睡眠模式。一旦有事件發生，設備便會喚醒，并發送短消息給網關、PC 或智能手機。典型 BLE 模塊的最大/峰值功耗為 39mA 或更低，而平均功耗約為9 μA。其有效功耗僅為傳統藍牙技術的十分之一。在低負載周期應用中，紐扣電池可確保可靠運行 5-10 年。
WLAN 的覆蓋范圍通常可達 1000 米。Wi-Fi 是最常見的標準。802.11 ax 是最新一代 Wi-Fi 標準之一，也稱為 Wi-Fi 6。Wi-Fi 6 提供更高的數據速率和容量（高達 9.6 Gbps），可在2.4 GHz 和 5 GHz 頻譜上運行。Wi-Fi 6 還引入了一項新技術，可優化客戶端的功耗需求。目標喚醒時間 (TWT) 允許接入點和客戶端通過協商確定接收器確切的喚醒時間，以接收發送方傳輸的數據，從而減少功耗。
WWAN 的覆蓋范圍通常可達 100 千米。蜂窩技術（2G、3G 和 4G）用于遠程設備連接。目前正在部署的 5G 技術保證了高帶寬和極低的延遲，這將有利于其被廣泛采用。蜂窩連接一直以來專注于覆蓋范圍和帶寬，但往往以犧牲能耗為代價。設備產生的大量數據很難快速處理，同時數據在連接設備間傳輸的往返延遲也很高。然而，5G 等新型蜂窩技術傳輸數據的速度比 4G 快 10 倍，有望實現超低延遲和更低功耗。
低功耗廣域網 (LPWAN) 技術非常適合機器對機器通信 (M2M) 和 IoT 設備的特定需求。該技術具備低功耗特性，且長距離傳輸能力突出，農村地區范圍可達 10-50 千米，城市地區則為 1-10 千米。該網絡可在許可頻譜（NB-IoT 和 LTE-M）和非許可頻譜（Sigfox 和 LoRa）中工作。
LTE-M 針對更高帶寬和移動連接進行了優化。它在上行和下行鏈路上都減少了1.4 MHz的設備帶寬，最大傳輸功率減少了20 dBm， FDD（頻分雙工）的LTE覆蓋范圍提高了15 dB，并增強了LTE DRX周期，實現了更長的非活動周期，從而優化了電池壽命。NB-IoT 提供較低帶寬的數據連接，上行鏈路和下行鏈路的設備帶寬均為 200 kHz。比 LTE 覆蓋范圍提高20dB。
Sigfox 和 LoRa 都使用異步通信協議。Sigfox 和 LoRa 終端設備非運行期間，大部分時間都處于休眠模式，減少功耗。Sigfox 和 LoRa 支持使用 C 類傳輸方式處理雙向低延遲，代價則是增加能耗。
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