干货，袭来！2023 贸泽技术创新周直播收官篇之工业物联网

2023年贸泽电子技术创新周的直播活动迎来了今年的收官场主题—工业物联网(IIoT)。

如果要形象地理解工业物联网在工业制造领域扮演的角色，它可以说是相当于智能制造的“神经网络”——将遍布于工厂的设备实现互联互通、全面感知，实时收集和处理生产制造各个环节的数据和信息，继而再借助人工智能技术以及算法等加持，进行数据的智能处理分析，实现更高进一步的预测性维护，不断提升工业制造的效率，稳定产品质量，降低产品成本和资源消耗。

当前，全球工业物联网（IIoT）正以惊人的连接速度领航未来产业数字化发展大潮。GSMA预测，2025年全球物联网终端连接数量将达到250亿个，其中消费物联网终端连接数量达到110亿，工业物联网终端连接数将达到140亿，占全球连接的一半以上。中国的工业物联网市场更以25%年增长率迅猛发展，为千行万业开辟出新天地。

为了让大家深入学习IIoT相关的创新技术和应用，我们特别策划了本期专题，邀请到来自Analog Devices、Amphenol、Silicon Labs、Phoenix Contact、TE Connectivity等国际大厂的资深专家以及宁波市智能制造技术研究院的副院长，通过3天的线上直播，和大家共同探讨了IIoT在智能工厂上的应用、产业数字化转型及技术上创新升级等内容，带领大家从多个角度了解当前IIoT的技术和应用发展趋势，助力大家在未来IIoT相关的实践中，灵活利用创新技术，推动制造、电力、汽车等产业进一步的智能化和绿色化。

从全面数据互联，到IIoT+5G+边缘AI的综合能量，看国际大厂在智能制造应用领域的解题思路。以下是直播精华笔记。

全面的数据互联是工业物联网一大关键

工业物联网（IIoT）的发展将深刻改变智能制造的面貌，推动智能制造实现更深层次的数字化和智能化、更紧密的产业链协同、更广泛的应用领域、更高效的数据处理和分析。

通过工业物联网平台，可以实现生产过程的“可视化”和“可追溯”。具体步骤包括——建立数字化生产管理系统，使用物联网技术，将生产设备、生产线、工厂等全部实现数字化，并构建互联网服务平台，对生产过程进行实时监控、数据采集、数据处理和分析。进而，通过数据可视化技术，将生产过程中的各种数据以图表、图像等方式呈现出来，帮助企业更好地了解生产情况，及时发现和解决问题。

通过视频监控、传感器等技术，对生产过程进行实时监控，了解生产现场的情况，及时发现和解决问题。通过数据追溯技术，对生产过程中的各种数据进行跟踪和记录，实现产品从原材料到成品的全程跟踪和追溯，帮助企业更好地了解产品质量和安全情况。

通过数据分析技术，对生产过程中的各种数据进行深入分析和挖掘，发现生产过程中的问题和瓶颈，提出改进措施和建议，提高生产效率和产品质量。

此外还可以实现远程监控和维护，提高设备运行效率和可靠性，也能实现更高效安全的人员管理以及质量管理。

而这一切技术和应用的实现有一个重要前提——全面的数据互联。

01

Amphenol

互连解决方案扩阔IIoT

在智能工厂上的应用

工业物联网的飞速发展，使得设备之间的通信变得越来越复杂和精密，产生了许多不同的通信接口与协议。不同的协议之间不一定能相互通信，而工业以太网使用通用接口的单一网络以单一协议运行，减少了不同协议之间转换的数据滞后，实现了实时数据处理，因此工业以太网迅速成为工业自动化系统的首选协议。

Amphenol针对工业以太网提出了两种互联解决方案：ix Industrial 和 SPE，相较于传统的RJ45连接器，具备更高的可靠性、更快的速度、更好的屏蔽性的有点。具体表现如下：

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• 更高的端口密度：ix Industrial 和SPE比传统的RJ45连接器插孔小75%，IP20 ix Industrial 工业连接器的间距为10毫米，仅为RJ45的一半，这意味着在以太网交换机等典型的多端口应用中，可以将端口数量增加一倍。

• 优化布线：SPE仅使用2根导线，布线更小、更轻、更灵活、成本更低；ix Industrial工业以太网支持4对（或8线）以太网，带宽更高，而且ix Industrial 连接器有10个触点，因此还有额外的2根导线用于电源或其他类型的信号。

• 更好的信号完整性：ix Industrial 和SPE在插入损耗和回波损耗方面都超过了规定的信号完整性性能标准。SPE的Cat5e或1Gb性能可达40米，10BASE-T或10Mb性能可达1公里，而ix Industrial 的Cat6A（10Gb）性能可达100米。总结来说，ix Industrial适用于制造结构中各层之间高带宽、高速数据通信；SPE适用于远端设备的的实时高速传输。

• 更好的兼容性：ix Industrial 和SPE都遵循既定的IEC标准，与符合相同标准的其他产品互换。SPE遵循IEC 63171-6的标准，ix Industrial遵循IEC 61076-3-124的标准。

• 出色的电磁干扰控制：ix Industrial 和SPE均采用完全360度全金属屏蔽设计，使用寿命较长。SPE通过配对的全金属屏蔽确保防止辐射发射并保持信号完整性；ix Industrial通过配对的全金属屏蔽防止任何辐射发射影响附近的设备。

• 安全性更高：ix Industrial 和SPE均采用 IP20防手指接触设计，触点是嵌入连接器内部的，保护了操作连接器的人员和连接器本身。IP6X的版本可以提供更好防尘和放液体侵入的保护。

• 可靠性更高：相较于传统的RJ45连接器采用的简单的模制塑料闩锁，ix Industrial 和 SPE均采用金属闩锁机制。

大多数以太网连接都需要在插座上安装磁性元件，以便与PHY芯片进行正确通信。Amphenol提供了目前市场上唯一的ix-MAG 选件，其优点是保持了连接器之间10毫米的中心到中心间距，从而实现了与标准版本相同的高端口密度。它还支持PoE++ 性能，可为传感器和执行器提供100W（或更高）的功率。除此之外，Amphenol还将今年年底推出M12与SPE混合型的工业以太网连接器，支持IEC 63171-7的标准，外形与M12保持一致，不仅具备单独供电的功能，还具备SPE的高速传输的性能。

# 小结

Amphenol带来的下一代工业以太网互联方案具备高性能、坚固耐用、设计紧凑、接口标准化的优势，可广泛应用于数据网络、机器人、自动化、边缘设备等各种工业应用。

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02

Silicon Labs

高性能、灵活的无线连接解决方案增

强IIoT应用

针对IIoT的三大主要应用场景—能源效率、能量收集、预测性维护，Silicon Labs提出了三种高性能、灵活的无线连接解决方案：

• Wi-Fi 6 + BLE：如今大多数设备都使用2.4GHz Wi-Fi 4，但是由于通道有限，且低功耗蓝牙、Zigbee也使用相同的频谱，使得频谱越来越拥挤，而Wi-Fi 6相当适用于密集环境中大量共存设备。即使在2.4GHz频谱下，也可以在密集环境中支持许多共存设备。Wi-Fi 6中还引入了目标唤醒时间（TWT）的功能，使终端设备能够在目标时间唤醒并查找数据，而不是定期唤醒，大大降低了功耗。Wi-Fi 6结合蓝牙的高集成度解决方案，可实现超低功耗的物联网设备和更佳安全性（WPA3、PSA 2级）。

• Sub-GHz：Silicon Labs推出的Sub-GHz片上系统（SoC），具备远距离射频和节能特性且通过了Arm PSA 3级安全认证，适用于拥挤的 2.4G环境中的终端节点、有金属干扰的终端节点，可以与BLE和Wi-SUN搭配使用，可以满足高性能电池供电型物联网产品的需求，可帮助提升能源效率。

• BLE Mesh和Wirepas Mesh：分散式的网状网络连接，适用于多跳和低延迟的超大型网络，实现可靠的长距离无线连接。

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此外，Silicon Labs针对边缘AI推出集成了人工智能和机器学习（AI/ML）硬件加速器的超低功耗Wi-Fi SoC（BG24、SiWx917）。具备如下优势：

• 物联网传感器可以快速地在本地处理计算，无需启动Wi-Fi连接、传输数据和等待响应。

• 如果需要进行云计算，可以在接入点上保持Wi-Fi活动状态，实现快速启动（Ramp-up）和高通量传输，减少云计算的延迟和能耗。

• 集成了AI/ML加速器（矩阵矢量处理器，Matrix Vector Processor），终端设备可以直接在Wi-Fi无线单元上处理数据，无需唤醒和占用中央微处理器，降低终端设备的功耗，延长电池寿命。

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03

TE Connectivity

无线技术助力工业物联网高速发展

来看一下TE Connectivity的仓库天线解决方案—四种Wi-Fi网络基础设施天线（不同的空间、不同的覆盖范围、不同的天线安装位置）：

• 杆式安装的筒状全向天线

• 壁挂式的面板定向天线

• 吊顶式安装的瓦片式全向天线

• 屋顶安装的面板定向天线

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终端设备的仓库天线解决方案，共有四种不同的天线类型：

• FPC尾纤天线：天线安装在设备的塑料外壳上，设备无线电板尺寸可以很小，但是天线的性能受电缆布线的影响。

• PCB插拔式天线：与SMT天线相比，可以节省电路板空间，辐射性能较好，但是通常采用手工焊接。

• SMT天线：焊接方式采用回流焊接，但是占用更多电路板间隙空间。

• 支持自定义的天线：可以提高射频的性能。

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IIoT +边缘AI、5G，释放更多创新能量

随着IIoT的各项技术和应用方案的进一步发展和细化，“IIoT + X”及IIoT与各类其他前沿技术的融合是未来发展方向，并将进一步引发更多的技术和应用创新。

其中，AI与IIoT的融合是一大重要发展方向。因为IIoT技术让工业设备实现了具备全面感知、可靠传输、智能处理、自组织与自维护等能力，但物与物之间的互联会产生海量的数据处理需求，这就需要AI强大的计算能力才能胜任。而与云端AI技术相比，边缘AI由于不需要将数据上传至云端，具备实时性好、带宽资源要求低、隐私性高等特点，特别适合IIoT的应用。

“5G+工业互联网”是另一个重要方向。通过5G技术对人、机、物、系统等的全面连接，构建覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业数字化、网络化、智能化发展提供新的实现途径，赋能产业数字化转型。

2022年9月，国家工信部印发《5G全连接工厂建设指南》，支持企业采用以5G为代表的新一代信息通信技术，打造产线级、车间级、工厂级等生产现场的新型工业互联网基础设施，形成生产单元广泛连接、信息（IT）运营（OT）深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂。

04

ADI

边缘AI如何解决当前IIoT痛点

可以这样理解AI和IIoT在一座工厂中扮演的角色——IIoT相当于工厂设备遍布的神经网络，AI则相当于工厂的大脑。但要让智能设备达到类似人脑的智能，设备必然需要进行大量的矩阵运算，这意味着大量的存储空间、强大的计算能力、高速的数据交互，成本很高，往往只有部署在云端的大型服务器才能够胜任这一工作。

然而，IIoT技术毕竟是工业领域物与物之间的互连，许多工业设备是需要电池供电的，并且对于部分机密性较高的工厂来说，数据在设备之间的流通并不能完全依赖于云端，因此工业物联网通常意味着低成本和低功耗。再者，许多工厂在建造时可能并未考虑增加电力走线，而AI技术通常要使用网电。这就使得AI技术与IIoT技术的融合产生了一定矛盾与困难。

针对上述痛点，ADI的边缘AI技术将二者的优点结合，从而实现在工业物联网设备的边缘端执行AI推理，比云计算的速度更快。

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ADI针对边缘AI的特点提出了MAX7800X系列的边缘AI解决方案。MAX7800X系列由两个微控制器内核（ARM Cortex M4F和RISC-V）加上一个卷积神经网络（CNN）加速器构成。该方案具备如下的技术优势：

• 超低功耗：得益于RISC-V出色的低功耗性能，与微控制器+DSP解决方案相比，边缘AI定制的硬件加速器可以将功耗降低99%以上。

• 高速运算：相比于纯微控制器方案，边缘AI定制的硬件加速器具备更高的数据吞吐量，可将速度提高100倍以上。

• 低成本：远低于FPGA或者GPU的解决方案。

MAX7800X的核心亮点在于它集成了一个卷积神经网络（CNN）加速器，可以减少卷积神经网络的运行能耗和等待时间，而且CNN加速器不受MCU内核的干扰，极大地提高了AI推理的效率、改善了延迟。特殊的架构设计使得MAX7800X可以以1fps的速度进行复杂的图像分析，在视觉识别等应用领域具备出色的性能。

助力IIoT的创新升级，ADI还推出了1-Wire的通信协议，将地址线、数据线、控制线、时钟线合成为一根总线，以此来降低系统功耗、减小系统设计的难度。1-Wire还具备如下的技术优势：

• 通信距离长：可支持长达300米的通信距离。

• 功能多样性：与I2C类似，支持多地址的拓展。

• 高稳定性、可靠性：高达8kV HBM的ESD保护等级。

• 安全性高：每个器件都具备唯一的64位识别码（ROM ID）。

• 采用半双工的双向串行接口，支持两种通信速率，分别是11kbps至15kbps的标准模式和60kbps至125kbps的高速模式。

• 通过特定的桥接器可实现与不同接口协议（I²C、UART、SPI等）进行转换。

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05

Phoenix Contact

5G互连助力IIoT数字化转型

5G技术的出现和演进显著地增强了工业互联网的服务供给能力，为工业互联网快速发展提供坚实的技术保障。

图1：5G在工业互联网中的价值

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在ITU-R定义的5G的三大应用场景中，超高可靠低时延通信（uRLLC）达到了工业控制对网络时延和可靠性的极高要求，海量大规模连接物联网(mMTC)满足了在工业互联背景下对海量设备的数据采集需求，增强移动宽带（eMBB）则可支撑如工业环境中超高清视频的应用。

图2：5G+工业互联网应用场景

图3：工业5G网络架构

Phoenix Contact在5G工业互联网领域提出了SPE单对以太网、SFP光纤网络、SMA同轴连接器三大互联解决方案：

• 以太网连接解决方案-SPE单对以太网：通过了IEC 63171的连接器标准认证以及IEC 61156的线缆标准认证。相比RJ45接口标准可以成倍提高接口密度，实现设备小型化。传输距离可高达1,000米，传输速度升至1GBit/s。

  传统的以太网线是4根或者8根的，SPE则采用1对2线全双工的方式并且通过不同频率来实现不同速度的通信。线芯的减少将极大降低线缆成本，在海量的电力物联网感知层设备接入时，可节省大量成本。SPE还提供IP20及IP67两种防护等级的版本，以应对不同的工作环境。SPE支持POE/PODL技术，可提供60W的电源输入，而无需另外设计电源接口。

• 光纤网络解决方案-SFP：运行期间可即插即用，传输速率可达10Gbps，符合光纤多源协议（MSA）SFF-8431和SFF-8432的标准认证。

• 无线传输解决方案-SMA同轴连接器：拥有不同种类的连接器类型可供选择，分别是N型、SMA、R-SMA。连接器底座适用于波峰焊和THR焊接工艺，可以节省自动化装配的成本。连接器均为无铅材料，线缆长度有0.5m到30m可供选择，可支持7.25GHz的频率，具备良好的衰减性能。

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贸博士点评

未来，IIOT将如何进一步改变

智能制造的面貌？

宁波市智能制造技术研究院在直播分享中指出，未来以客户为中心的产品开发以及“设计-制造-使用”一体化的趋势，需要物联网、人工智能、大数据、VR/AR等技术的支持。这些交叉科技领域的融合将深刻改变智能制造的面貌，推动智能制造实现更深层次的数字化和智能化、更紧密的产业链协同、更广泛的应用领域、更高效的数据处理和分析。

具体来看，IIoT在智能制造领域的发展趋势可能会表现在以下几个方面：

• 更深层次的数字化和智能化：随着技术的不断进步，IIoT将进一步推动智能制造的数字化和智能化。在产品的设计、制造和管理过程中，将实现更高效的数据采集、分析和处理，进一步优化生产流程和提高产品质量。同时，通过更智能化的设备和系统，将能够实现更高效的自动化和智能化生产。

• 更紧密的产业链协同：IIoT的发展将促进智能制造产业链的协同。通过更紧密的上下游企业合作，实现更高效的生产和更优质的产品。同时，基于IIoT的供应链管理将得到进一步优化，降低库存和物流成本，提高生产效率和产品质量。

• 更广泛的应用领域：随着技术的不断创新和进步，IIoT将在更多的领域得到应用。例如，在能源、医疗、交通等领域，将有更多的智能设备和应用场景出现，推动这些领域的数字化和智能化进程。

• 更高效的数据处理和分析：随着大数据和人工智能技术的发展，IIoT将能够实现更高效的数据处理和分析。通过对大量数据的分析和挖掘，将能够更好地把握市场需求和趋势，优化产品设计、制造和管理过程，提高生产效率和产品质量。

而IIoT对智能制造领域的改变将体现在以下几个方面：

• 生产方式的变革：IIoT将推动智能制造的生产方式由传统的线性生产向数字化和网络化的生产方式转变。基于IIoT的智能制造将实现更高效、更灵活、更智能的生产模式，满足市场需求的多样化和个性化。

• 供应链的优化：IIoT将促进智能制造的供应链优化。通过实时数据采集和分析，可以更好地把握市场需求和趋势，预测生产需求，实现精准供应和物流管理，降低库存和物流成本。

• 产品质量的提升：通过实时数据采集和分析，IIoT将能够更好地监控生产过程和质量，及时发现和解决问题，提高产品质量和稳定性。

• 生产效率的提高：IIoT将推动智能制造的生产效率大幅提高。通过自动化和智能化生产，可以减少人工干预和错误率，提高生产效率和生产能力。

• 创新能力的提升：IIoT将促进智能制造的创新能力的提升。通过数字化和智能化技术，可以更快地开发新产品和市场应用。