探究無線網絡技術在工業物聯網中的應用

潘盛祥 潘敏捷

摘要：工業物聯網可視為工業自動化系統和物聯網系統深度融合的產物，其目的是為落實對工業生產的管理與監督，在物聯網技術的幫助下，對工業生產各流程所涉及數據信息進行收集與共享。在產業不斷轉型升級的背景下，工業物聯網面臨的應用環境日益復雜，對無線網絡技術的需求也不斷提升，無線化逐漸成為工業物聯網發展的主要趨勢。在本文的分析中，主要結合無線網絡技術的基本應用，對其在工業物聯網中的使用價值展開了探討，以供參考。

關鍵詞：工業物聯網；無線網絡技術；信息化

引言

工業物聯網的出現，推動著傳統工業朝智能化方向發展，其具有顯著的智能化、自動化特征，如網絡技術、信息技術、傳感器技術等在工業物聯網發展中發揮出了巨大價值，其中網絡技術是工業物聯網的絕對核心。在5G技術商用后，其已經逐漸成為主要的一項無線網絡技術，對工業物聯網的智能化進程起到了強大推動作用。

1. 工業物聯網概述

新時期，市場經濟體制日漸完善，市場競爭壓力不斷提升，工業領域面臨的生存與發展壓力越來越大，企業只有提高生產效率，做好對生產線的優化，才能有效應對當前面臨的壓力。通過減少設備維修次數和成本，才能獲得良好收益，而通過工業物聯網可以更輕松地實現上述目標。工業物聯網主要是通過在工業生產線中嵌入傳感器等智能化裝置，從生產環節開始，落實對工業倉庫、物流系統的優化，通過對生產、物流等信息的自動識別，有效改善眾多環節，促進生產效率的提升[1]。工業物聯網在不斷發展過程中，集成應用了大量先進的技術手段，如人工智能、虛擬現實、工業機器人等，這些技術的應用對網絡鏈接寬帶、安全性等有著較高要求，在無線網絡技術的幫助下，可以很好地滿足上述要求，這也是無線網絡技術應用于工業物聯網能發揮巨大價值的原因。

2. 工業物聯網的基本應用需求

2.1 數據采集

工業物聯網中的工業生產控制系統已經非常完善，在物聯網的幫助下，該系統可以實現對生產環節各類數據信息的采集，如產品標號、物流信息等。充分應用這些數據信息，有助于工業生產的把控，支持自動化生產的實現。使用傳統4G網絡進行傳輸，傳輸效率相對較低，容易給數據采集的效果帶來不良影響，可能難以滿足工業自動化的需求，而通過應用5G技術，憑借5G技術的各項優勢，能進一步滿足工業自動化對高效率、低時延等方面的需求，更有利于實現對工業生產線的控制，實現各環節相互協調，達到提高工業生產效率的目標。

2.2 智能機器人

在現階段的工業生產中，機器視覺技術得到了有效應用，為提高工業生產的智能化水平創造了良好條件。不過要想充分發揮該技術功能，在具體應用機器視覺技術時，必須依靠強大的信息網絡。采用無線網絡技術，能進一步提高工業機器人的智能性和自主性，便于工業機器人高效完成生產任務，進一步提高工業生產的自動化及智能化水平。強化工作人員與機器人之間的聯系，結合生產的實際情況打造一個完善的信息管理系統，對工業生產全過程進行遠程監控與在線控制，配合人工智能系統，能發現在工業生產中的隱患，保障工業領域的生產安全。

2.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術在現階段的工業物聯網中，屬于十分重要的技術應用模塊，該技術可用于眾多工業生產場景的模擬，如員工培訓、在線監控、協同設計。例如，在工業生產中如某一設備發生故障，工業物聯網能夠快速實現對該故障信息的檢測，及時將信息上傳至控制中心，通過及時預警，使工作人員在接收預警信息后，能及時安排運維人員前往處理，同時在無線網絡技術的支持下，方便控制中心向運維人員下達工作指令，以此保證設備維修的精準性及整體效率。

3. 無線網絡技術在工業物聯網中的應用場景

3.1 工業物聯網平臺

在工業物聯網中，無線網絡技術屬于支撐平臺運行的基礎，能有效保障平臺運行的安全性?；谖锫摼W絡的工業物聯網大致可以分為應用層、支撐層、網絡層與感知層。應用層主要是無線網絡技術在工業運維決策、智能設計、需求分析等各環節，一般是在工業生產中的具體應用層次使用。支撐層主要是為工業生產提供海量數據信息的一個層面，在這個層面需要集成運行大數據、云計算等技術手段。網絡層主要是指工業物聯網中網絡平臺的應用，如線下最先進的5G+技術，能夠給工業物聯網提供實時交互的功能支持。感知層主要是在工業領域，通過控制軟件、傳感器等的幫助針對工業生產中的各類設備展開控制，規范工業生產過程，以保證工業生產目標能夠順利實現。除了無線網絡和平臺外，以無線網絡技術為支撐的工業物聯網平臺，還需要得到網絡安全系統的支持，通過搭建網絡安全系統，為工業物聯網平臺的安全性提供保障。

3.2 無人機巡檢

在工業生產環節，巡檢是一項重要的工作，對工業產品的質量有較強的保障。傳統生產模式中，主要以人工巡檢為主。這種巡檢方式費時費力，面臨的安全隱患較大。當前，無人機巡檢模式在工業生產中得到了廣泛應用，如廠區巡檢、管道巡檢等。傳統無人機主要是通過無線遙控、程序控制的方式，一般通過藍牙、Wi-Fi進行連接，無人機巡檢存在距離上的限制，且圖像清晰度有限，實際應用范圍比較狹窄。采用5G等無線網絡技術，憑借其多種優勢，能使無人機巡檢的范圍進一步得到拓展，在遠程控制的基礎上回傳高清巡檢畫面，更好地滿足無人機巡檢的要求。

例如，5G技術和無人機技術的應用，通過提高通信寬帶、數據傳輸速度，其與4G技術相比在傳輸速度上可能不止提升10倍，較高的傳輸速度可以保證無人機回傳信息的高清水平和時效性水平。另外，對無人機定位的精準度提升也有很好的幫助，有助于通過無人機實現精準定位[2]。比如，神東煤炭集團通過打造“5G+無人機”智能巡檢系統，在上灣煤礦深度500米的位置實現了5G網絡覆蓋，打造了相對完善的5G專網架構，憑借5G基站建設的優勢以及智慧礦山建設標準，使得生產過程的安全性進一步得到提升。另外，在5G與無人機技術融合應用的過程中，還能對井下一定深度的地方展開實時巡檢，其中無線網絡技術主要起到支撐作用，能實時將巡檢時的調查畫面傳輸至監控中心，讓煤礦生產的安全性進一步得到提升。

3.3 工業AR

AR屬于一種利用多媒體、三維建模等技術將虛擬信息與真實世界進行連接的技術手段，能在虛擬世界中對真實世界展開模擬，該技術在當前的工業生產領域得到了廣泛應用。無線網絡技術為AR產業的發展創造了良好條件，其聯合AR技術在工業領域的應用，能有效降低工業企業的生產成本，支持企業進行產品設計，通過建立3D模型進行模擬仿真，及時發現產品存在的漏洞，優化設計方案，為后續工業生產提供強有力的指導。

4. 無線網絡技術在工業物聯網中的應用

4.1 5G技術的應用

工業物聯網中5G技術的應用，可以根據不同需求，靈活采取不同的5G專網部署方案，如分片共享專網與完全獨立專網。5G網絡主要由5G基站、用戶面、用戶面功能、統一數據管理、核心網控制面等多個部分構成。在5G網絡中，用戶可以通過sinking直接形成多接入邊緣計算的邊緣節點，云計算的能力下沉到數據源邊緣，便于5G專網中數據的本地定向存儲和處理，從而有效降低5G網絡的時延。相比于公網，5G專網與其最大的差別在于規模不同，具體構成內容基本相同[3]。通過部署獨立的5G專網可以使物理成員與公網實現隔離，對提高工業生產數據的安全性有很好的幫助。該部署模式下5G通信設施一般由企業自主建設，能體現出十分優秀的網絡時延性，能保證企業網絡自主可控，減少公網給專網帶來的影響。采用該部署方式需要投入的成本較高，對中小規模的工業企業不太適用。

4.2 Wi-Fi技術的應用

Wi-Fi Halow屬于工業物聯網中Wi-Fi的新版，可以應用于電池供電的可穿戴設備，也可以部署在工業設施中。Wi-Fi Halow主要采用900MHz頻段，低于目前的Wi-Fi頻段，適用于數據負載小、功耗低的設備。雖然大多數Wi-Fi設備在理想狀態下只能達到100米的最大覆蓋范圍，但使用Wi-Fi Halow時，如果配置合適的天線，其覆蓋范圍可以達到1公里左右，具有較強信號且抗干擾性較強。通過應用Wi-Fi能有效提升網絡的可靠性，在技術應用中，采用冗余的方法，實現基于冗余的條件可能出現問題失效，系統在沒有出現數據損失的情況下，利用該技術可恢復相關數據。

在Wi-Fi Halow網絡中，能夠實現兩個甚至更多相鄰節點的相互通信。在網絡通信上具有較強穩定性，在這樣的網絡中倘若某一路徑不暢通，就能自動通過其他路徑傳輸數據[4]。Wi-Fi Halow在室內定位精度高，數據傳輸功能強大，主要將TSCH協議應用于資源有限、功耗較低的設備，基于Wi-Fi Halow網絡，能創建更復雜的連接系統，功耗低、速度快等優勢明顯。但不能直接與云端連接，組網能力弱，且對外網依賴性強，存在網絡節點少的弊端，因此該技術并不適合多點控制。

4.3 ZigBee技術的應用

ZigBee屬于一種無線網上協議，低速、短距離是主要特點，適用于各類數據信息的短距離傳輸。ZigBee技術的主要優勢在于成本與能耗較低，在工業物聯網中能支持各生產設備實現數據交換，在日常Wi-Fi通信協議使用中，存在距離較短、功耗較大、組網困難等問題，而利用ZigBee技術能夠彌補這些缺陷。ZigBee是一種建立在網絡控制和低頻率傳感器之上的無線網絡規范，因為網絡的容量比較大，同一區域中存在的該網絡較多，在一個網絡中可以將該網絡分為數萬個節點連接，因此整體上組網靈活性比較強，加上ZigBee技術的應用，整體上需要固定的通信渠道，需進行碰撞測試，避免數據傳輸中的沖突，因此其準確性也比較高，加上以CRC為基礎的數據包能進行完整性檢測，在認證及健全中也比較有應用價值。通過相應的加密算法能提高各應用的靈活性及安全性。ZigBee技術具有低功耗及大容量等特點，也決定了該技術在應用過程中的抗干擾性偏差，通信距離有一定限制。

5. 案例分析

5.1 關鍵業務應用

5G技術可靠且延遲性較低，通過安全為主的準確業務控制，能夠利用實驗網絡在倉庫車輛自動指揮、引導和控制中應用。在智能工廠建設中支持機器人之間實現實時通信，5G連接是該案例的最佳選擇，相比于Wi-Fi，5G能提供更強穩定性、更低的延遲[5]。例如，加拿大某公司與當地運營商建立合作關系，通過低時延網絡優化其系統，通過設計3D機器人，在專用的LTE網絡上構建物聯網解決方案，利用自動化技術壓縮倉庫貨架為垂直型儲存架構，機器人能在這些架構中進行水平和豎直移動，并實現精準取貨送貨。

5.2 連接老舊設備

企業可以利用5G網絡將資產轉化為智能設備管理，將設備直接連接在云上，可以輕松可靠地進行業務控制。目前已經有很多國家和地區利用5G網絡連接各種設備至云網絡中，實現了很好的遠程監控和管理效果。選擇到云的通信能夠直接繞過對Wi-Fi的需要，在沒有Wi-Fi訪問的情況下與設備進行連接，這種方式能讓移動設備在無須斷開連接和重新配對Wi-Fi網絡的情況下就可以實現漫游[6]。某工業企業基于5G技術通過與各生產設備進行連接，制定了相對完善的預測性維護解決方案，各個生產車間都配備十多臺機器，每臺機器每天需要至少運行18小時，為減少設備停機導致的生產中斷，既能保證云端的安全性，也能實現設備的穩定連接。通過部署一個物聯網解決方案，在資產部位構建一個預測維護模塊，能夠識別、聚合數據，并針對機器出現的問題進行有效分析。如此即可從被動維護轉為主動預防，更能提升設備的穩定性。

結語

綜上所述，工業物聯網的發展主要得益于各項先進技術的支撐，特別是在無線網絡技術的支持下，為工業領域實現萬物互聯提供了強大的網絡保障，二者集成應用目前已成為推進第四次工業革命的核心動力。未來在工業物聯網不斷發展的過程中，還需要不斷對無線網絡技術的應用展開探索，確保能發揮無線網絡技術在其中的最大應用價值。

參考文獻：

[1]蔣勇，朱力量.5G技術在工業物聯網中應用研究[J].中國新通信，2023，25（2）：72-74.

[2]張莉，王小龍，馬肇云，等.基于知識圖譜的工業物聯網安全本體建模及實現[J].新型工業化，2022，12（12）：284-288.

[3]林基鋒.5G專網在工業物聯網中的可用性研究[J].長江信息通信，2022， 35（7）：207-209.

[4]李明時.工業物聯網安全通信關鍵技術研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院沈陽計算技術研究所），2022.

[5]王西賢.工業物聯網中節點隱私保護技術與應用[D].青島：青島科技大學，2022.

[6]周晉，李建軍，王銳.工業物聯網無線化趨勢淺析[J].物聯網技術，2021，11（6）： 84-86.

作者簡介：潘盛祥，本科，工程師（中級），研究方向：軟件工程。