蓝牙技术如何实现工业物联网的数字化转型 ？

1 如何使用蓝牙®技术启用数字跨转型 工业物联网？ AndrewZignani, 高级研究总监 CONTENTS 工业使用案例蓝牙®技术5 市场机会 工业蓝牙®14 的关键要求 工业蓝牙®15 英飞凌的蓝牙怎么样®技术启用 IIoT将达到其 真正的潜力？17 INTRODUCTION 工业企业正面临着越来越多的经济、政治、供应链、监管、劳动力和技术相关的挑战。近年来出现了各种大规模的逆风，包括持续的贸易争端，世界各地的定期封锁以及乌克兰的持续冲突。通货膨胀以及能源和运输成本的增加也使利润率紧张并影响了需求，而更广泛的供应链问题也影响了供应 。 生产所需的产品和组件，并将成品提供给客户。此外，新法规要求工业环境更安全地运行，具有更严格的合规程序，并且功能更可持续，而吸引和留住新人员的困难使提高员工效率和流程，同时创造安全和令人满意的工作环境比以往任何时候都更加重要。 这些因素都是领先的工业企业在数字化方面进行更多投资，以期增强供应链和资产可见性，提高和自动化合规性。优化劳动力资源和提高自动化程度，通过增强质量保证(QA)和避免错误来提高产量，并通过数字孪生、混合现实和机器学习(ML)实现更广泛的流程优化。这为企业提供了更高的整体运营可见性，并提高了新的效率，而在数字化转型过程中，企业可以更轻松地应对当今和未来的挑战。 这种数字化转型的基础是广泛的无线物联网(IoT)设备，能够提供对工业运营的实时见解。这包括无线基础设施、物联网网关、控制面板和各种无线端节点设备，每个设备都有独特的要求。这些终端节点包括无线传感器，资产跟踪标签，可穿戴设备，机器人，自动导引车（AGV）和无人机，智能电表，联网照明节点，信标和电子货架标签 （ESL），视频监控摄像机，连接工具，人机接口（HMI）和扫描仪设备，访问控制阅读器，电动汽车（EV）充电器和销售点（POS）终端等。这些物联网设备的异构性质意味着每个设备都有不同的，有时是相互矛盾的一组性能要求。举几个例子，一些设备将需要在非常低的延迟下的高速每秒千兆位(Gbps)吞吐量，而其他设备每天只传输几千位每秒(Kbps)的数据。一些设备将由电源供电或具有大电池，而另一些设备将依赖于纽扣电池操作，并需要数月至数年的电池寿命。一些设备将非常接近网关或接入点(AP),而其他设备可以在高达1公里(m)或更大的延伸距离上操作。一些可以部署在恶劣的工业环境中,而另一些可以在室外操作。一些设备可以是固定的,而其他设备可以是高度移动的。某些设备可能。 被稀疏地部署，而其他可能部署在密集，拥塞的环境中，成千上万的其他端节点在附近。 单个无线连接技术无法有效地满足每个设备的所有要求，这也许不足为奇。多种技术，包括Wi-Fi，蓝牙 ®802.15.4和超宽带（UWB）将在这些商业和工业环境的转变中发挥独特的作用。此外，即使在单一无线技术中，每个用例的不同要求也可能需要量身定制的连接解决方案，以解决每种产品类型将面临的一些独特的部署问 题。例如，可以提供扩展范围，超低功耗，在更大的温度范围内执行能力，更高的鲁棒性，更高的吞吐量模式， 独特的拓扑结构或这些组合的专业解决方案对于确保工业物联网（IIoT）市场在未来十年内发挥其真正的潜力 多种技术, 包括Wi-Fi、蓝牙®802.15.4和超宽带 (UWB)将在 这些商业和工业试验环境 的转变。 至关重要。 最大限度地实现工业数字化转型还取决于短程无线（SRW）连接技术的持续创新和发展。未来的用例将需要在几乎所有指标上进行其他改进，包括吞吐量、延迟、鲁棒性、可靠性、功耗、范围、安全性、可扩展性、效率、大小 、成本、互操作性、灵活性和部署密度。它还需要无线产品组合，可以通过组合和多协议片上系统（SoC）和模块利用每种技术的独特优势。性能范围两端的更严格的要求可能需要在标准开发过程中进行额外的工作，以确保满足所有不同的需求。这些增强功能的结合将使SRW技术能够提高现有用例的性能，打开新的市场机会，并导致跨多个行业垂直领域开发新的运营效率和用户体验。一种不断创新以解决工业痛点的技术是蓝牙。®. 本文重点介绍了蓝牙不断增长的机会®工业应用中的技术。首先，它讨论了蓝牙的持续发展®使这项技术能够更好地瞄准这个市场。其次，它突出了蓝牙®技术正在一系列环境中被利用，包括工业制造、商业建筑、智能能源、智能零售、实时定位系统(RTLS)和资产跟踪， 和其他IIoT应用程序。第三，它为蓝牙提供高级预测®这些领域的技术。最后，它讨论了企业连接的关键要求，并强调了英飞凌等领先连接解决方案提供商的灵活无线产品组合如何能够满足工业环境的特定严格需求，以及为什么这些解决方案对于确保市场在未来十年发挥其真正潜力至关重要。 蓝牙的演变®工业应用技术 蓝牙®technologyhasseveralinherentbenefitsforindustrialapplications.Thisincludingresiliencetointerference androbust,ultra-lowpowerconsumptionviaBluetooth®低功耗（LE），低成本芯片组和模块的广泛可用性，在移动和计算设备中无处不在，在企业无线基础设施和物联网网关中的强大存在，支持多种拓扑结构、准确定位和安全的测距功能，以及持续创新的积极标准开发团队，提供可互操作、可扩展的解决方案，以满足企业的不同需求。 蓝牙有两种主要类型®技术：1)蓝牙®基本速率/增强数据速率(BR/EDR)，也称为蓝牙®经典；和2）蓝牙®LE，两者都在 2.4千兆赫(GHz)未经许可的工业、科学和医疗(ISM)频段。蓝牙®Classic是一种点对点技术，在使用EDRPHY时支持3Mbps的最大数据速率，主要用作音频流技术，以实现无线耳机和扬声器、汽车信息娱乐系统以及设备之间的文件传输。功耗相对较高，约为1瓦(W)。相比之下，蓝牙®LE于2010年首次推出，是一种不断发展的低功耗蓝牙（介于0.01W和0.5W之间）®支持多种拓扑和附加功能（如定位功能）的技术。根据特定的操作模式 ，Bluetooth®LE可以支持高达2Mbps的数据速率。 随着时间的推移，蓝牙®LE继续提高性能并添加新功能以更好地瞄准新的企业市场。广播功能等新拓扑使技术能够针对信标和RTLS应用程序，而蓝牙®5.0，2016年推出，为蓝牙带来了对2Mbps吞吐量的支持®LE，同时增加了4X的范围和8X的数据广播容量。蓝牙的到来®2017年的mesh使得该技术能够更好地解决商业照明和大规模传感器网络应用问题。 蓝牙®5.1在2019年带来了测向，支持到达角（AoA）和偏离角（AoD）定位技术，与以前的接收信号强度指示器（RSSI）方法相比，提供更高精度的位置服务。同时，即将到来的蓝牙支持®ChannelSounding将为蓝牙的定位功能增加安全性和准确性，利用RTLS中基于测距的安全应用程序，个人跟踪和访问控制等。在2023年初，蓝牙®特别兴趣小组（SIG）宣布发布针对ESL市场的新无线标准，利用蓝牙中引入的关键新功能增强功能®核心规范版本5.4，包括定期响应广告（PAwR）和加密广告数据，以提供ESL市场所需的安全 ，低功耗和可扩展的无连接部署。如图1所示，PAwR还可以实现更具可扩展性的双向一对多蓝牙®一系列物联网资产跟踪和传感器网络的部署。最近，在2023年9月，蓝牙®SIG为网络照明控制（NLC）应用提供了全栈标准，使开发可互操作，可扩展的商业智能照明解决方案变得更加容易。 图1：蓝牙的演变®广告 来源：英飞凌 3738 旧版Adv PAwR 广告主/广播员 广告主/广播员 Adv间隔 Adv间隔 adv延迟adv延迟 第一个Adv事件第二个Adv事件 响应插槽延迟 响应插槽 周期性变化间隔 周期性变化间隔 超越蓝牙内的标准开发流程®SIG，有一个巨大的蓝牙生态系统®解决方案提供商提供量身定制的解决方案，以解决特定的垂直市场。在工业领域，英飞凌等市场领导者继续创新和发展其蓝牙技术®投资组合，以满足企业不断发展的需求。这可以包括增加的可靠性和健壮性、高吞吐量模式、可扩展的网格和一个- 到许多拓扑，以及扩展的范围和扩展的温度支持。结合起来，这些创新显示了蓝牙的不断增长的功能®并使该技术在实现一系列IIoT用例方面比以往任何时候都更具吸引力。 与其他技术（如Zigbee或专有的2.4GHz解决方案）相比，蓝牙®提供了许多优点。其中包括移动设备中的无处不在和无线基础设施中的广泛存在，提供更高数据速率的能力，对多种拓扑和无连接部署的支持，音频功能，超低功耗，强大的互操作性，低成本以及来自广泛的供应商生态系统的强大支持，推动了进一步的技术创新。它也可以很容易地与其他技术集成，以带来独特的解决方案，利用每一个的好处。 工业使用案例用于蓝牙®技术 对工厂车间、仓库或物流运营中的工业资产的监控对于确保和提高设施的效率、可靠性、安全性和生产率变得越来越重要。在竞争日益激烈的环境中，设施所有者必须转向 新技术来加速这一发展并继续提高性能，重点越来越多地转向监控以前从未监控过的资产，以提高新的效率。无线解决方案可以部署在有线连接解决方案过于昂贵、耗时、复杂或危险的地方。除制造和物流环境外，增长最快的物联网领域之一是商业楼宇自动化市场。环境必要性，技术可行性，成本下降，新的物联网解决方案以及建筑物，办公室，校园和其他城市环境的更高期望的融合正在推动无线智能建筑技术的增长。采用互联技术可以降低能耗，降低运营和维护成本，延长商用设备的使用寿命，提高租户的健康、舒适度和满意度，提高生产率，并提高安全性、弹性和安全性。这包括加热、通风和空调(HVAC)控制、NLC、访问控制和上述无线传感器网络。英飞凌强大的扩展解决方案组合将是在大型商业建筑园区环境中实现可靠连接的关键。下面的表1提供了用于工业应用的关键无线技术的更深入的比较。 最适合的应用程序 关键功能 半导体供应商数量 数据速率 典型(示例)Rx/Tx电流 点对点范围 标准机构 Wi-Fi6 安全摄像头,智能门锁 数据吞吐量 多个 高达9.6Gbps Rx<15mATx150mA+ 高达35m Wi-Fi联盟 蓝牙5.4BLE网 照明和楼宇自动化 多跳节点数 多个 高达2Mbps(取 RX<5mA 高达6公里的LOS 蓝牙SIG 格 决于 TX3-5mA@0dBm （取决于PHY配 在PHY配置上) 置） 蓝牙5.4BLE长距离 室内/室外资产跟踪 长距离 很少 蓝牙5.4BLEPAwR 太阳能电池板/农场， 具有短响应延迟的1 ESL，无线BMS 到N控制 IEEE802.15.4与网格网络Zigbee 住宅/工业LED照明,智能家居,传感器 应用程序互操作性，Mesh网络 许多 250kbps RX<2.5-5mATX20mA@+10dBm 高达90米 连接标准联盟(CSA)线程集团、DALI联盟等。 TX>90mA@20+dBm(美国) 工业楼宇自动化 应用标准网状网络IP IEEE802.15.4与网状网络线程（使用DALI+、KNX）IEEE802.15.4与 智能家居扬声器和互联 应用程序互操作性 CSA, 网状物/线程 设备 /家庭生态系统 线程组 专有SubGHz 品种/碎片 灵活性和传播 许多/碎片 高达100kbps RX<5mATX26mA@+14dBmTX90mA@20dBm 多达许多kms（取决于PHY配置） 专有 由于其独特的特性和固有的灵活性，蓝牙®技术已经在许多企业和工业环境中被利用。同时，新的蓝牙®可以解决特定行业痛点的用例几乎每天都在出现。虽然其中一些可能最终仍然是小规模的，但如果考虑到需要跟踪对象的企业和工业运营痛点的几乎任何方面，则 状态受监控、访问置备或感应到环境,存在利用蓝牙的潜力®作为连接解决方案。以下部分重点介绍了蓝牙的一些主要机会®这些市场领域的技术。 工业楼宇无线传感器网络 蓝牙®在工厂车间部署的各种工业传