用坚固可靠的蓝牙传感器网络提高工业自动化效率

事实证明，物联网 (IoT) 传感器网络可利用实时数据提高效率，并通过预测性维护减少停机时间，从而改变工业自动化、可再生能源和智能照明系统的游戏规则。然而，随着系统配备越来越多的无线传感器节点，设计人员将面临如何在恶劣环境中可靠地扩展这些工业物联网 (IIoT) 网络的挑战，同时最大限度地降低实施和运营成本，解决网络拥挤问题并确保安全。

本文概述设计人员在扩展 IIoT 网络时面临的各种问题。然后介绍 Digi 的低功耗蓝牙 (BLE) 模块和开发套件，说明如何利用这些产品快速有效地解决上述问题。

扩展无线物联网基础设施时面临的挑战

IIoT 涉及广泛的应用领域，其中数据采集对于提高效率和可预测性至关重要。以智能照明为例，无线传感器收集环境光和占用率数据，实时调整使用情况，以节约能耗及相关成本。

同样，再生能源应用利用远距离物联网传感器网络来监测太阳能和风能等各种能源。这些网络监测系统的状态和性能，预测故障并动态调节电网供电。

与使用工业自动化技术的其他领域一样，从运动部件采集数据是实施预测性维护的关键。在整个工业系统中安装数百个无线传感器，可提供细粒度的数据信息，从而优化流程、减少维护工作并降低运行成本。但是，随着传感器网络规模的扩大，可能会出现影响性能的问题，例如

• 干扰：工业环境通常会受到电机、开关模式电源和弧焊设备产生的高水平电磁干扰 (EMI) 的影响。这种 EMI 会导致数据传输速率间歇性降低，从而严重影响数据的有效传输。
• 网络过度拥挤：近距离操作多个无线设备会造成成网络饱和，导致更大的延迟和连接中断，这会妨碍实时检测并增加功耗。
• 安全性：黑客攻击是能源或物流等关键基础设施的一大隐患，因此传感器网络必须具有强大的安全性。然而，随着端点数量的增加，漏洞的数量也在增加。

另一个挑战是将无线传感器与标准工业协议集成。这种集成可能涉及数据重新格式化和压缩，以减少网络流量；然而，这些过程需要在设备上进行，随着传感器和协议数量的增加，成本和功耗也会迅速攀升。此外，现场传感器的数量在不断增加，导致维护工作越来越复杂，因为无论是出现故障还是仅仅更换电池，都需要对传感器进行非预测性维护。

蓝牙技术在大规模 IIoT 中大显身手

在众多 IIoT 无线协议中，蓝牙是一种功能强大的解决方案，可随着传感器网络的扩大解决一系列问题。例如，通过使用自适应跳频 (AFH)，蓝牙技术会提高抗干扰能力。AFH 会将数据分成小数据包并通过多个频率传输，然后在接收端重新组合。任何丢失的数据包都会在发送丢失报告后重新发送，以确保通信可靠性，并防止因电磁干扰而丢失长信息。

为避免网络过度拥挤，蓝牙技术支持在连接建立后控制相对于接收器的发射功率。这种方法与 AFH 相结合，有助于节省电能，同时最大限度地减少 EMI，以使数百台无线设备能够在同一空间内运行。此外，蓝牙技术还通过使用强大的加密和弹性验证协议来减少安全漏洞。

在 IIoT 部署中，大规模蓝牙传感器网络主要通过专为与多台设备配对而设计的网关进行通信。通过围绕蓝牙构建传感器节点，开发人员可以实现与智能手机和平板电脑的无缝互操作性，因而简化设置和诊断工作，提高维护效率。

然而，为使无线网络适应 IIoT，蓝牙传感器网络还必须可靠地适应恶劣部署条件，并能降低功耗、提高成本效益和简化维护。

用工业级 BLE 模块构建 IIoT 网络

使用 Digi 的 XBee 3 BLU BLE 5.4 模块和开发套件，设计人员能够快速直接地部署无线 IIoT 网络。这种模块具有 -40°C 至 +85°C 工业级温度范围，并使用空闲和休眠工作模式，因此能够满足可靠性和功耗要求。XBee 3 BLU 设备的电流消耗分别为 7.5 毫安 (mA) 和 8 微安 (µA)，可支持在难以接近的位置长期安装远程传感器，因此无需定期更换电池即可获得有价值的信息。

其他特性包括：

• 最大数据传输速率为 2 兆比特每秒 (Mb/s)，可详细了解复杂机械的运行情况
• 最大发射功率为 +8 分贝毫瓦 (dBm)，可在室内长达 15 米 (m) 或室外长达 300 m 的直视范围内实现高保真通信
• 13 个数字 I/O 和 4 个 10 位模数转换器 (ADC) 输入，可与不同设备和传感器接口灵活集成
• 1.71 V 至 3.8 V 供电，电源选择灵活
• 用于设备和网络保护的 Digi TrustFence Security，包括安全启动、受保护的硬件端口和设备验证
• 先进的 MicroPython 可编程性，可快速开发设备上的数据处理和决策系统
• 获得北美 (FCC, IC) 和欧洲 (ETSI) 的全面监管认证

检查 XBee 3 BLU 模块的选项

Digi 提供多种型号的 XBee 3 BLU，以适应不同的设计需求和传感器外形尺寸。XB3-24B5UM-J（图 1）是一种表面贴装器件，配备一个 U.FL 连接器，用于连接外部天线。此外，还提供可选择片式或射频板载天线的类似型号。

图 1：XB3-24B5UM-J 为工业环境中功能强大的 BLE 通信提供了一款扁平解决方案。(图片来源：Digi）

这种形状的尺寸为 13 mm × 19 mm × 2 mm，非常适用于专为诸如智能照明灯具等高度集成的工业环境而设计的扁平传感器。直接焊接到印刷电路板（PC 板）上，能提高传感器在诸如工厂装配线等恶劣环境中的耐用性和可靠性。

另外，XB3-24B5PT-J（图 2）是 XBee 3 BLU 模块的通孔版。这种外形采用了 PC 板迹线天线，且可选择 U.FL。

图 2：XB3-24B5PT-J 是一款通孔模块，灵活性高，可轻松地与其他支持不同无线协议的 XBee 模块互换。(图片来源：Digi）

尽管这种通孔式传感器的尺寸较大（24.38 mm × 27.61 mm），但对于为其他各种应用设计物联网传感器的开发人员来说，这种器件仍具有优势。通过在共用载板上安装接头，并将该模块与更广泛的 XBee 生态系统中的另一个模块互换，同一传感器设计可以支持不同的无线协议。这将减少设计工作量，提高 IIoT 基础设施的灵活性。

用 XBee 开发套件简化基于 BLE 的 IIoT 系统开发

为加快项目构建，设计人员可以先从 XK3-B5M-WBT XBee3 BLU 开发套件入手（图 3）。该开发套件配备了 XBIB 接口板和关键外设，支持立即进行无线传感器原型开发，具体包括：

• 当前监测头
• 温度湿度传感器
• 用于第三方传感器的 Grove 连接器
• 用户可编程按钮
• 通过 USB 或电池供电

图 3：XK3-B5M-WBT 开发套件是设计基于 BLE 的 IIoT 传感器网络的理想起点。(图片来源：Digi）

该套件还提供对 DigiXBee Studio 的访问权限。这款免费的多平台应用通过各种开发工具，包括完整的 BLE 5.4 软件栈以及附加文档和示例，可加快产品上市速度。简单的图形用户界面 (GUI)（图 4）有助于用户轻松、便捷地配置和管理多个 XBee 设备。

图 4：XBee Studio 提供了一个综合软件环境，旨在加速 XBee IIoT 节点的开发和测试。(图片来源：Digi）

除 XBee Studio 外，Digi XBee Mobile App 还可进行本地配置和无线 (OTA) 固件升级，方便用户进行现场故障排除。Digi Mobile SDK 支持 iOS 和 Android 系统应用开发，使开发人员能够简化终端用户与基于 XBee 的传感器网络的交互，从而更便捷、更高效地管理设备。

结语

在设计用于数据采集的大规模 IIoT 传感器网络时，开发人员可能会遇到许多与干扰、安全、集成和维护有关的挑战。Digi XBee 3 BLU 模块提供了一种低功耗、工业级 BLE 方案，该方案内置了边缘计算功能，可简化数据管理。凭借灵活的集成选项和功能齐全的开发资源，这些模块构成了一个可靠的平台，用户可在此基础上快速高效地构建和扩展先进的传感器网络系统。