具有足够处理能力、可编程性和连接性的工业计算机可以成为数据收集和传输的理想IIoT网关
作者：Oliver Wang，边缘连接和计算产品营销经理，Moxa
 
在依赖偏远地区分布式数据采集的行业，如可再生能源或石油和天然气行业，有线基础设施往往缺乏或不切实际。
尽管无线计算机为这些应用提供了理想的解决方案，但每个场景对通信距离、传输速度、带宽、功耗、成本等都有不同的要求。为能源行业应用选择的无线IIoT网关或替代解决方案需要考虑这些因素及其固有的权衡。
以下关键因素（即无线性能、网络基础设施、运营商批准和兼容性、边缘计算以及数据和硬件可靠性）描述了为工业物联网网关应用选择无线解决方案的主要考虑因素，并提供了如何克服常见陷阱的建议。
 

 
图1：通用IIoT网关应用图
 
1.无线性能
当选择蜂窝或Wi-Fi IIoT网关时，需要考虑无线带宽和通信距离，以便将边缘系统连接到云。这些无线性能要求在很大程度上取决于数据量。例如，远程控制和监控系统的视频监控文件和系统日志可能相当大。为了向云传输更多的此类数据，您需要更多的带宽来支持更快的上行链路和下行链路速度，如LTE Cat。甚至是一个Wi-Fi网络。
然而，由于提供更高上行链路和下行链路的无线模块消耗更多功率，并且无线运营商支持的成本更高，因此这些服务的数据计划也更昂贵。一些无线运营商可能会为需要较少数据消耗的企业提供低功耗广域网（LPWAN）的更经济实惠的数据计划。尽管您可以协商低月费，如每月1美元，但选择最合适的方案需要事先仔细计算您的每日或每月数据消耗量，以保持在计划的限制范围内。
除了数据量之外，还需要考虑数据传输的频率和可用性。例如，一些运营商可以周期性地断开NB-IoT模块，以便持续优化其LPWAN上连接的设备的数量。此外，一些NB-IoT模块甚至被设计为在连接到LPWAN后立即进入省电模式，以节省所连接设备上的功耗。
最后但并非最不重要的一点是，还需要考虑从边缘系统到云的无线通信距离。举例来说，通常最大传输距离为50米的Wi-Fi网络可能不足以用于高度分布式IIoT应用，例如在远离文明的偏远地区跨越很远距离的油田。
 
 
2.网络基础设施
在评估您的工业应用的无线性能要求之后，您将需要仔细考虑网络基础设施的类型。除了数据速率和容量要求外，初始设置费用和总体拥有成本也应考虑在内，以决定您是构建自己的无线网络还是使用本地运营商的现有网络。
此外，新的蜂窝连接技术，如LTE Cat。M1（LTE-M）或NB-IoT可能在您所在地区尚不可用。因此，首先检查运营商的可用性至关重要，以确定您实际拥有的选项。
要考虑的另一个基础设施问题是应用发生的实际环境。例如，Wi-Fi可以为人口密集的城市社区附近的限制区域提供更稳定的信号和连接。另一方面，蜂窝解决方案可以为远程用户提供更好的跨更大范围的应用服务，可以显著节省布线费用，并且需要更少的部署工作。此外，LTE技术可以在以太网布线不切实际或成本过高的偏远户外地区提供可扩展的解决方案。
 
3.批准和兼容性
每个地区都有自己的射频（RF）法规，规定允许您在该地区进口和使用的无线设备。为了避免使用您所在地区不允许使用的无线设备所带来的风险，Moxa建议您选择您想要部署的地区的本地RF调节器已经覆盖的无线设备。
此外，同一区域内的不同无线运营商也可以使用不同的LTE频带。一些运营商甚至可能使用主要LTE制造商或本地竞争对手通常不支持的特定RF频段。因此，在选择用于收集和传输远程数据的无线连接解决方案之前，您应该与最终用户明确要求。
此外，一些国家（如美国、加拿大、日本和韩国）在您可以在运营商的网络上注册设备之前，还需要运营商的批准。运营商批准保证您的设备可以在运营商的网络上正常运行，并满足任何互操作性标准。
 
4.边缘计算
所有IIoT应用都涉及从现场设备、传感器和其他工业设备收集数据，然后将信息传输到云端进行高级分析。这些现场设备据说处于系统的“边缘”，这就是为什么它们被称为“边缘系统”。虽然可以将原始数据从每个边缘系统直接发送到云，但在大多数情况下，延迟和相关成本都会非常繁重。“边缘计算”本质上是将一些数据处理和驱动从云转移到IIoT网关，该网关连接特定站点的所有现场设备。
由于每个IIoT网关可以充当连接到它的所有传感器和设备的数据集中器、协议转换器和数据预处理设备，因此简单的蜂窝路由器或Wi-Fi接入点是不够的。工业应用需要从许多不同的信号和协议中收集数据，这些信号和协议需要在通过蜂窝或Wi-Fi网络传输信息之前进行转换、存储和预处理。
不同的IIoT应用也可能有不同的CPU、内存、存储或电源预算需求。例如，大多数数据采集和传输应用使用具有基本内置和外部存储（如SD卡）的可定制Linux操作系统平台。更高级的应用甚至可能运行边缘软件，该软件需要具有更高CPU功率和内存规格的Windows平台。因此，CPU、内存、存储和电源预算要求也可能决定您是选择基于Arm还是基于Intel的边缘计算机，并为IIoT网关提供无线连接。
 
5.数据和硬件可靠性
确保数据连接的可靠性可能需要多种无线技术，例如同时使用Wi-Fi和LTE故障切换。尽管Wi-Fi接入点（AP）几乎总是比蜂窝连接提供更好的可靠性和成本节约，但仍有可能错误更改Wi-Fi AP凭据或Wi-Fi网络意外断开连接。LTE解决方案可以提供价格合理的备份，因为蜂窝连接仅在Wi-Fi链路断开时激活。
双SIM卡功能还可以提供冗余，并允许您在单个设备上安装来自两个不同运营商的SIM卡，从而帮助确保网络可用性。如果您愿意，您甚至可以在两个不同的运营商之间拆分整个网络。不受单一运营商的约束会增加您在协商数据计划成本时的议价能力，并在其中一个蜂窝连接中断时提供额外的备份。
对于室外或恶劣环境中的Wi-Fi和LTE连接，重要的是选择在较宽的工作温度范围内可靠工作的IIoT网关，例如-40到70°C（-40到158°F）。满足坚固工业认证的IIoT网关是户外现场安装的理想选择。许多机柜甚至具有小尺寸，并提供各种接口，如RS-232/422/485、Modbus、I/O和以太网，以连接相邻设备、PLC和其他边缘设备。
 
示例：电动汽车充电站
 

 
图2：汽车充电站示意图
 
插电式电动汽车（PEV）市场的增长为电网公司提供了部署PEV充电基础设施的机会，这对于鼓励更多驾驶员转向电动汽车和扩大PEV市场至关重要。PEV充电基础设施由分布在大面积的充电站组成，如果定期使用，则需要相当数量的能源。大多数充电站都是无人值守的，许多位于郊区，远离集中控制室。随着充电站数量的增加，运营商在维护良好的网络连接以及集中管理计费和维护方面面临多重挑战。
在这个真实的例子中，一个电动汽车充电站的客户要求低功耗以最大限度地提高电力输出，在室外环境中可靠运行，支持CAN端口以连接能源管理系统，以及开发计费程序的开放平台。
为了满足这些要求，如图所示，在系统架构中部署了一个功耗低于10 W、支持CAN端口的基于Arm的坚固IIoT网关，以及带有RESTful API的工业Linux开放平台软件，以实现与用户计费和监控仪表板的轻松集成。
 
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