无线工业物联网的网关设计

尽管有很多关于工业物联网(IIoT)将如何改变工厂自动化的讨论，但没有统一的技术将各种“物”连接在一起，这会导致系统之间的不兼容。可以使用开源软件定义无线电技术在不同的工业无线标准之间建立连接。通过考察IIoT可以最好地说明兼容性问题， IIoT是一种应用程序子集，所具有的无处不在的连接性带来了巨大的收益。一家领先的通信设备供应商估计，现在超过90%以上的工业机器仍没有连接到任何网络。

不兼容的无线标准

实现更广泛互连性的主要障碍是大多数工业现场具有多个供应商。每个供应商可能采用不同的方法来实现IIoT，其中包括采用无线连接以实现最大的灵活性，但无法在无线链路、标准和协议之间实现互操作性。这些包括Wi-Fi、NB-IoT(也称为Cat-NB1)、LTE MTC Cat M1、远程(LoRa)、Sigfox、Ingenu、WirelessHART、Weightless、蓝牙低功耗(BLE)和ZigBee等等。

每种技术都有其优点和局限性，在实际应用中可能会根据应用案例进行选择。低功率广域网(LPWAN)方案，如LoRa、NB-IoT和Sigfox，更适合低速率传输的长距离链路，而通过Wi-Fi和蓝牙的无线接入则更受欢迎，但传输范围受限。一种名为HaLow的新型Wi-Fi正加入到混战中。它使用IP数据包和更低的频率，提供更长的传输距离和更强的穿透力。

不兼容的系统，对于任何希望将IT系统迁移到工业4.0的工厂来讲都是障碍，因为它可能需要多个集线器和网关来收集和整理数据以进行分析。

该图显示了Lime SDR软件定义的无线电板框图。 LimeSuite是免费的开源软件，用于编程Lime SDR板。图形用户界面驱动的设计环境允许控制射频芯片功能。图片来源：Lime Microsystems

软件定义无线电(SDR)可以支持各种无线技术，它紧凑、可编程、开源、全双工并支持App应用程序，这意味着它可以从应用商店下载代码后进行配置。

这种无线电需要能够实现通信和控制途径，例如双收发器现场可编程射频(FPRF)装置和现场可编程门阵列(FPGA)芯片。该板通过USB3.0连接器或PCIe接口插入合适的处理器，该处理器通常是PC装置。

可以使用SoapySDR项目中的开源应用程序，启用运行Linux的处理器，该应用程序可以“按原样”使用或按需修改以满足特定的要求。基于Ubuntu的开源应用程序可用于GSM和LoRa，活跃的生态系统有大量新应用程序可用。硬件设计人员可以使用板载的英特尔FPGA对各种无线标准数据进行编码和解码;已有可用的开源软件。FPGA还可用于加密，以避免“明文”传输数据。

开源资源的主要优点是可以修改功能以满足应用程序的需求。文档允许软件设计者理解代码操作。此外，论坛和博客可以回答许多常见问题，开源社区可以帮助解决并回答问题。软件工程师可以从下载LoRa文件开始，然后在SDR上改进系统以支持其它技术。

各种选项都可用于修改系统。SoapySDR支持独立于供应商的支持库，设计人员可以在其中访问C ++ API、C封装器和Python绑定。数据包括代码操作的详细说明，它可以作为新设计的起点。

免费的开源软件可用于编程SDR。图形用户界面驱动的设计环境，允许控制射频芯片的各方面，例如带宽或频率。这一切都是利用FPGA通过串行外设接口连接加载数据来实现的，从而可以设置所需的无线标准。可以实时下载到电路板上，并可以使用硬件在环检查系统性能。当射频设计完成时，可以保存FPRF配置以用于最终系统。

FPGA中的控制逻辑

SDR的控制逻辑在FPGA中实现，命令可以通USB端口下载到模块中。可以修改FPGA的功能，这是先前分配给硬件设计团队的任务，他们具有设备设计所需的专业技能。这也被认为是供应商在电子产品中广泛采用FPGA的最大障碍之一。因此，他们为简化软件或非专业社区的设计流程做出了巨大努力。

IIoT是进一步提升工业自动化水平不可或缺的一部分，无线连接必须在整体IIoT战略中占据一席之地。一些选项可以利用未经许可的低功率广域网，而其它选项可能部署新兴的蜂窝标准。一种无线通信技术不太可能满足所有要求，因此需要一种可配置的网关，旨在涵盖许多选项。SDR硬件和软件通信提供了专有无线通信系统的替代方案。