使用 LoRaWAN 多协议网关在老式工业自动化设施中建立传感器网络

随着工业物联网 (IIoT) 的不断扩张，用于连接不同系统的网络技术类型也在不断增加。对于有线网络，以太网（及其工业以太网变体）是最常见的接口，因为它用途广泛，可以运行多种不同的协议。在无线高速数据方面，Wi-Fi 已经成为快速可靠的联网标准，而蓝牙则用于一些传感器并用来配置设备。

不过，蓝牙的工作段频为 2.45 GHz，而 Wi-Fi 的工作频段为 2.45 GHz 和 5 GHz。因此，与在 sub-GHz 频段工作的 LoRaWAN 等无线电相比，传统建筑中使用的厚墙会大幅降低 Wi-Fi 和蓝牙的传输距离。这会损害传感器的连接性，从而增加成本，因为需要在整个设施中部署更多的接入点或汇聚点，才能防止设备丢失无线连接。

本文说明了为什么有必要在已经具有 Wi-Fi 和蓝牙的工业自动化设施中添加 LoRaWAN 传感器连接。文中将探讨 LoRaWAN 在老式建筑和传统环境中的优势，而为实现工业自动化和方便楼宇管理，这些环境必须进行改造。然后，本文还将介绍来自 Multi-Tech Systems 的两款 LoRaWAN 网关，这些网关可以轻松管理 Wi-Fi 数据网络、LoRaWAN 传感器连接和蓝牙连接，同时保持向后兼容性。

如何在老式建筑中添加无线连接

随着 IIoT 的扩张，一些传统建筑物也需要部署 IIoT 网络。然而，在这些老式建筑的建造年代，没有人会关注无线数据传输的问题。墙壁、地板和天花板通常采用钢丝网、钢筋和重型钢梁加固，而这会有效地阻挡高频无线电信号，从而阻止对某些设备的网络访问。

在某些情况下，穿透墙壁来连接信号可能是足够的，但若是叉车或其他重型设备停放在墙壁附近，就会暂时阻挡连接。这为 Wi-Fi 和蓝牙等高频无线协议带来了问题。若要诊断这些时断时续的边界连接情况，可谓是网络技术人员的噩梦。

因此，这些建筑物可能需要在设施中增加额外的路由器、网络交换机和网关。这不仅会增加网络的复杂性，还会增加成本、维护和互操作性问题。

对于位置可能距网关或路由器上百米的远程传感器而言，这种情况尤其会造成问题。但是，某些传感器（例如环境传感器）并不需要通过高速无线网络持续传输其状态，并且可以轻松使用 sub-GHz 频率，因而不存在任何网络瓶颈或争用条件。

对于这些情况，sub-GHz 低功耗 LoRaWAN 无线协议就是一种可靠的选择。LoRaWAN 在美国的传输频率范围为 902 至 928 兆赫兹 (MHz)，在欧盟的频率范围为 863 至 870 MHz。该技术面向不需要持续数据连接的低功耗、低数据速率传感器。更重要的是，LoRaWAN 的较低工作频段使其适用于墙壁较厚的老式建筑，因为发射的信号很容易穿透木材、石膏板、混凝土和钢材。

但是，如果工业设施使用 Wi-Fi、蓝牙和 LoRaWAN，则必须以确保可靠性和互操作性的方式集成所有三种协议，同时降低维护成本，这一点很重要。

IIoT LoRaWAN 配置

通常，Wi-Fi 信号通过网络交换机或路由器连接到工业设施的中央集线器，而网络交换机或路由器通过有线以太网转换数据。这种转换相对容易，因为 Wi-Fi 和以太网是兼容协议。但是，LoRaWAN 与以太网不兼容，因此不能简单地传递数据。为了使 LoRaWAN 数据到达中央集线器，必须首先通过兼容的网关接收无线 LoRaWAN 数据。兼容 LoRaWAN 的网关配置为通过回程连接将数据转发到运行 LoRaWAN 网络服务器 (LNS) 应用程序的 Windows 或 Linux 中央集线器。LNS 会处理数据，并通过该应用软件可用的应用编程接口 (API)，将其暴露给集线器的操作系统。

Multi-Tech Systems 的 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 多协议网关是一款专为坚固的工业设施设计的 LoRaWAN 多协议网关（图 1）。该网关面向工业环境，可在 -30°C 至 + 70°C 的温度范围，以及高达 90%（无冷凝）的相对湿度环境下工作。

MTCDT-247A-915-US-EU-GB 配置为 LoRaWAN 美国频率，无法在其他地区使用。MTCDT-247A-915-US-EU-GB 支持 Wi-Fi、蓝牙和 LoRaWAN。

图 1：Multi-Tech Systems 的 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 网关是用于工业环境的 Wi-Fi 路由器和 LoRaWAN 网关。其运行频率为 902 至 928 MHz 的美国 LoRaWAN 频率，同时支持蓝牙连接。（图片来源：Multi-Tech Systems）

该 Conduit 网关支持美国 915 MHz 频段的 LoRaWAN 网络。它使用基于浏览器的界面来配置 LoRaWAN 数据包转发器以指向 LNS。工业设施内的 LoRaWAN 传感器可以轻松连接到上百米外的 Conduit 网关，甚至可以穿透旧式建筑中的钢筋混凝土墙和地板进行连接。但是，即使是现代建筑，也会存在死角，即无线信号无法到达的位置。对于大型建筑物而言，这始终是一个问题，而且无法避免。因此，建议至少设置两个 LoRaWAN 网关以确保全面覆盖。当需要从两个或多个 Conduit 网关接收相同的数据包时，LNS 应用程序可解决所有问题。

浏览器界面还可用于配置 Wi-Fi 接入点。对于 802.11a/b/g/n 协议，MTCDT-247A-915-US-EU-GB 可以为工业设施提供 2.45 GHz 和 5 GHz 的 Wi-Fi 接入点。该网关附带了 Wi-Fi 天线。

此外，浏览器界面还可以配置蓝牙接入点以连接到兼容的蓝牙设备。对于常开型高数据速率蓝牙设备，支持的是经典蓝牙。对于平板电脑、笔记本电脑和某些传感器等电池供电型蓝牙设备，支持低功耗蓝牙 4.1。

背面的 RJ45 插孔提供到主服务器的有线 10/100BaseT 以太网网络连接和回程。

MTCDT-247A-915-US-EU-GB 还支持全球导航卫星系统 (GNSS)。这可以用于全球定位，但更重要的是，GNSS 为 LoRaWAN 数据包时间戳提供了准确的时基，这是 LoRaWAN 标准的要求，旨在确保消息同步。

MTCDT-247A-915-US-EU-GB 将美国 LoRaWAN、Wi-Fi 和蓝牙集线器连接组合在一个网关中，为所有三种无线协议提供了一个集中维护点，并简化了网络连接。该网关的设计能使这三种协议不会相互干扰。

为了在欧盟使用，Multi-Tech Systems 提供了 MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 网关，该网关与美国版本基本相同，除了工作频段为处于欧盟频段 863 至 870 MHz 中的 868 MHz，并额外支持 4G-LTE 蜂窝回程连接。为了在最新蜂窝网络标准未覆盖的区域实现经济高效的操作，该网关还可以通过 3G-HSPA+ 和 2G-GPRS 网络发送数据。Multi-Tech Systems 提供的规格显示，此网关与所有欧盟蜂窝网络兼容。

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 提供与大多数欧盟电源插座兼容的适配器选择。它还包括一根 Wi-Fi 天线、一根 GNSS 天线和两根蜂窝网络天线（图 2）。

图 2：Multi-Tech Systems 的 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 网关采用 868 MHz 工作频段，支持欧盟国家中的 LoRaWAN 连接，同时还支持 4G-LTE 蜂窝回程连接。它提供与大多数国家/地区兼容的欧盟交流电源适配器选择。（图片来源：Multi-Tech Systems）

为了通过 4G-LTE 网络将 LoRaWAN 数据发送到 LNS，每个网关都需要标准 SIM 卡，其中包含无线网络、电话号码和用户信息。

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 在设备正面的铭牌后有一个 SIM 卡卡槽。为了防止恶意行为者随意更换 SIM 卡，铭牌使用了螺钉固定（图 3）。为了提高安全性，网关应放置于未经授权用户无法接触的上锁位置。请务必确保该位置周围没有金属外壳，以免阻碍蓝牙和 Wi-Fi 信号。

图 3：MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 网关带有一个 SIM 卡端口，拆下由小螺钉固定的铭牌就可以找到。（图片来源：Multi-Tech Systems）

每台支持 4G-LTE 回程的 Multi-Tech Systems Conduit LoRaWAN 网关都需要从手机网络运营商处购买 SIM 卡及适当的流量套餐。Conduit 网关的 SIM 卡和蜂窝流量套餐可方便地从 DigiKey 购买。套餐提供每月 300 KB 到 5 GB 不等的数据流量。

Multi-Tech Systems Conduit 网关提供了一个简单的中央接入点，在一个装置中包含了四种无线连接协议以及 GNSS。对于维护人员而言，就可以从一个位置轻松配置所有无线网络，从而节省了时间，并提高了可靠性。此外，还消除了使用单独的路由器和网关时可能发生的冲突。

总结

随着工厂和车间不断采用 IIoT，无线网络对于工业自动化越来越有用。对于这些应用，目前已经有丰富的设备生态系统，来支持通常工作在不同频段下的各种应用，实现 Wi-Fi 和蓝牙连接。如上所述，在已经配备 Wi-Fi 和蓝牙的工业自动化设施中添加在 sub-GHz 运行的 LoRaWAN 传感器连接，可以提高可靠性，对于存在钢筋加固墙的老式设施尤其如此。若使用一个支持所有这些协议的网关，则可以节省时间和配置成本，同时提高兼容性和可靠性。