边缘节点通信的详细解读.doc

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1、边缘节点通信的详细解读　　简介　　工业联网机器可以感知众多信息，以用于工业物联网(IIoT)中的关键决策。边缘节点中的传感器可以在空间上远离任何数据聚合点。它必须通过将边缘数据连接到网络的网关进行连接。传感器构成工业物联网生态系统的前端边缘。测量阶段将检测到的信息转换为压力、位移、旋转等可量化数据。可以对数据进行过滤，只连接节点以外最有价值的信息，以便进行处理。在低延迟连接条件下，只要关键数据可用即可作出关键决策。　　检测、测量、解读、连接　　边缘节点一般必须通过有线或无线传感器节点(WSN)连接到网络。在信号链的这一部分中，数据完整性仍然十分关键。如果通信不一致

2、、丢失或损坏，则优化检测和测量数据几乎没有价值。理想情况下，要在系统架构设计期间预先设计鲁棒的通信协议。最佳选择取决于连接要求：范围、带宽、功率、互操作性、安全性和可靠性。　　有线设备　　在连接的鲁棒性至关重要的情况下(如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET和ModbusTCP)，工业有线通信发挥着关键作用。远距离传感器节点可以用无线网络向网关回传信息，网关则依赖有线基础设施。数量较少的连网物联网节点会一律使用有线通信，因为多数这些设备会采用无线连接。借助有效的工业物联网连接策略，可以将传感器安装在可以检测到有价值信息的任何地方，不仅是现有的

3、通信设施和电源基础设施所在之处。　　传感器节点必须有与网络通信的方法。以太网在有线领域占据主导，因为工业物联网框架把更高层的协议映射于这类连接上。具体的以太网实施方案的速率范围为10Mbps至100Gbps及以上。高速率通常面向互联网主干网，用于连接云中的服务器群。1　　KNX一类的低速工业网络是基于双绞线，采用差分信令模式传输数据，电源电压为30V，总带宽为9600bps。虽然每段只能支持数量有限的地址(256)，但寻址最高可支持65,536台设备。最大分段长度为1000米，可选线路中继器，最多支持4段。　　工业无线网络面临的挑战　　在考虑采用哪种通信和网络技术

4、时，工业物联网无线系统设计师面临诸多挑战。为此，需要高度重视以下制约条件：　　•范围　　•间歇性连接与连续性连接　　•带宽　　•功率　　•协同能力　　•安全性　　•可靠性　　范围　　范围指接入网络的工业物联网设备传输数据的距离。以米为单位的短程个人局域网(PAN)可以用于通过BLE进行设备调试的情况。长达数百米的局域网(LAN)则可用于安装在同一栋建筑中的自动化传感器。广域网(WAN)以千米为单位，其应用包括安装在大型农场里的农用传感器。　　　　图1.短程无线连接。　　选择的网络协议应与工业物联网的具体应用案例要求的范围相匹配。例如，对于工作距离为数十米的室内局域

5、网应用，4G蜂窝网络在复杂程度和功率方面就不合适。在要求范围内传输数据有困难时，边缘计算不失为一种替代方案。在边缘节点进行数据分析，而不是把数据传输到其他地点进行处理。　　发射的无线电波在功率密度方面遵循平方反比定律。信号功率密度与无线电波传输距离的平方反比成比例。传输距离增加一倍，无线电波只能维持最初功率的四分之一。发射输出功率每增加6dBm，可能传输范围就会增加一倍。　　在理想的自由空间里，平方反比定律是影响传输范围的唯一因素。然而，墙、栅栏、植物等障碍物会减小现实范围。空气湿度可能会吸收射频能量。金属物可能会反射无线电波，导致次要信号在不同时间到达接收器端，

6、形成具有破坏性的干扰，进一步导致功率下降。　　无线电接收器的灵敏度决定了可以实现的最大信号路径损耗。例如，在2.4GHz工业、科研和医疗(ISM)频段中，接收器的最低灵敏度为–85dBm。射频辐射器的能量全向均匀传播，形成一个球体(A=4πR²)，其中，R为从发射器到接收器的距离，单位为米。自由空间功率损失(FSPL)与发射器与接收器之间的距离的平方以及基于Friis传输方程集的射频信号频率的平方成比例。2　　　　其中，Pt=发射功率，单位为瓦特，S=距离R时的功率　　　　其中，Pr=接收功率，单位为瓦特　　λ(发射波长，单位为米)=c(光速)/f(Hz)=3&T

7、Imes;108(m/s2)/f(Hz)或300/f(MHz)　　　　其中，f=发射频率　　给定已知发射频率和要求的距离，则可以计算目标发射和接收对的FPSL。链路预算的形式如方程1所示：　　带宽和连接能力　　带宽是在特定时间内可以传输的数据速率。它限制了可以从工业物联网传感器节点采集数据的最大速率以及向下游传输数据的最大速率。考虑这些因素：　　•每台设备随时间推移产生的数据总量　　•网关中部署和聚合的节点数　　•以恒定数据流或间歇性突发方式存在的突发数据高峰期需要的可用带宽　　网络协议的包大小最好与传输的数据大小相匹配。发送含有空数据的包会造成效率下降。然而，把

8、大数据块分