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昨晚11點(diǎn)45分，正準(zhǔn)備睡覺(jué)，手機(jī)響了。看到是客戶來(lái)電，心里就知道八成又出事了。果然，電話那頭傳來(lái)急促的聲音："小王，設(shè)備又掉線了！這都是這個(gè)月第四次了！生產(chǎn)線停了，老板在現(xiàn)場(chǎng)等著，你快幫我看看！"這是一家工廠的項(xiàng)目經(jīng)理，他們?nèi)ツ晟狭艘惶自O(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用的是我們的工業(yè)級(jí)4G路由器。我一邊遠(yuǎn)程登錄設(shè)備查看日志，一邊問(wèn)他最近有沒(méi)有什么變化。折騰了半個(gè)多小時(shí)，發(fā)現(xiàn)是工廠新裝了一臺(tái)大功率變頻器，開(kāi)機(jī)瞬間產(chǎn)生的電磁干擾導(dǎo)致路由器死機(jī)。調(diào)整了一下設(shè)備位置，加了屏蔽措施，問(wèn)題才算解決。
掛了電話已經(jīng)凌晨12點(diǎn)半，我躺在床上卻睡不著。這樣的場(chǎng)景這三年來(lái)經(jīng)歷了太多次，有時(shí)候一個(gè)晚上能接三四個(gè)這樣的電話。做工業(yè)通信設(shè)備的技術(shù)支持，真的是24小時(shí)待命，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)很多是三班倒，設(shè)備問(wèn)題隨時(shí)可能發(fā)生。這三年里，我接待過(guò)的客戶至少有一千多個(gè)，處理過(guò)的問(wèn)題保守估計(jì)上萬(wàn)個(gè)。有些問(wèn)題很簡(jiǎn)單，客戶不看說(shuō)明書(shū)導(dǎo)致的誤操作；有些問(wèn)題很棘手，需要深入分析日志、遠(yuǎn)程調(diào)試、甚至現(xiàn)場(chǎng)排查才能解決；還有些問(wèn)題根本不是設(shè)備的問(wèn)題，而是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)條件、甚至是人為因素造成的。
這三年的經(jīng)歷讓我對(duì)工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器這個(gè)行業(yè)有了非常深刻的理解。我發(fā)現(xiàn)很多客戶在選購(gòu)和使用這類設(shè)備時(shí)，信息是嚴(yán)重不對(duì)稱的。銷售為了完成業(yè)績(jī)，什么好聽(tīng)說(shuō)什么；客戶不懂技術(shù)，只能聽(tīng)銷售的；出了問(wèn)題兩邊扯皮，最后倒霉的是我們技術(shù)支持。所以我一直想寫點(diǎn)東西，把這些年積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)分享出來(lái)，讓客戶在選購(gòu)和使用工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器時(shí)能少走彎路，也讓行業(yè)能更透明一些。今天終于下決心把它寫出來(lái)了。
這篇文章會(huì)很長(zhǎng)，可能要兩萬(wàn)字以上。我會(huì)從技術(shù)角度詳細(xì)講解工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器的方方面面，包括硬件設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)、應(yīng)用場(chǎng)景、選型方法、安裝調(diào)試、故障排查、行業(yè)內(nèi)幕等等。有些話可能會(huì)得罪同行，有些觀點(diǎn)可能會(huì)引起爭(zhēng)議，但是我覺(jué)得該說(shuō)的還是要說(shuō)。這篇文章不是為了給我們公司打廣告，而是真心想幫助那些正在或者即將使用工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器的朋友們。好了，廢話不多說(shuō)，直接開(kāi)始正文。
很多人第一次聽(tīng)到工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器這個(gè)概念，都會(huì)有疑問(wèn)：它跟家里用的路由器有什么區(qū)別？為什么要叫"工業(yè)級(jí)"？這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上涉及到很多技術(shù)細(xì)節(jié)。今天我就從硬件設(shè)計(jì)的角度，詳細(xì)講講工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器和消費(fèi)級(jí)路由器的本質(zhì)區(qū)別。
先從最直觀的外殼說(shuō)起。消費(fèi)級(jí)路由器基本都是ABS塑料外殼，看起來(lái)挺漂亮，也便宜，但是在工業(yè)環(huán)境下根本撐不住。我見(jiàn)過(guò)太多這樣的案例：客戶把消費(fèi)級(jí)路由器裝在工地上，夏天太陽(yáng)一曬，塑料外殼就變形了；冬天溫度一低，外殼變脆，輕輕一碰就裂了。更要命的是塑料外殼的散熱性能很差，設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散不出去，內(nèi)部溫度越來(lái)越高，最后觸發(fā)過(guò)熱保護(hù)自動(dòng)關(guān)機(jī)，或者干脆燒壞了。我們拆過(guò)很多這種壞掉的設(shè)備，PCB板都被烤得變色了，有些電容都鼓包了。
工業(yè)級(jí)路由器為什么要用金屬外殼？主要有三個(gè)原因。第一是散熱，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比塑料高幾十倍，可以快速把內(nèi)部熱量傳導(dǎo)到外殼表面，再通過(guò)空氣對(duì)流散發(fā)出去。而且金屬外殼本身就可以設(shè)計(jì)成散熱器的形狀，增加散熱面積。我們做過(guò)對(duì)比測(cè)試，同樣的工作負(fù)載下，塑料外殼的內(nèi)部溫度比金屬外殼高15-20度。這個(gè)溫差對(duì)于電子元器件來(lái)說(shuō)是非常致命的，因?yàn)闇囟让可?0度，元器件的壽命就會(huì)減半。
第二個(gè)原因是電磁屏蔽。工業(yè)環(huán)境里電磁干擾非常強(qiáng)，到處都是大功率電機(jī)、變頻器、電焊機(jī)這些干擾源。塑料外殼對(duì)電磁波基本沒(méi)有屏蔽作用，外界的干擾信號(hào)很容易進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，影響電路的正常工作。金屬外殼則不同，它本身就是一個(gè)法拉第籠，可以有效屏蔽外界的電磁干擾。同時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的高頻信號(hào)也不會(huì)泄露到外面，避免對(duì)周圍其他設(shè)備造成干擾。這就是為什么工業(yè)級(jí)設(shè)備都要求有EMC認(rèn)證，而EMC測(cè)試的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是檢查設(shè)備的屏蔽效果。
第三個(gè)原因是強(qiáng)度。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比辦公室、家庭惡劣得多，設(shè)備可能會(huì)被碰撞、跌落、擠壓。塑料外殼強(qiáng)度低，容易損壞。金屬外殼強(qiáng)度高得多，即使受到外力沖擊也不容易變形或者破裂。而且金屬外殼可以承受更大的安裝應(yīng)力，比如用螺絲緊固在鋼梁上，塑料外殼可能會(huì)被擰裂，金屬外殼完全沒(méi)問(wèn)題。
當(dāng)然金屬外殼也有它的問(wèn)題，比如重量大、制造工藝復(fù)雜、散熱片設(shè)計(jì)要求高等等。但是對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這些都不是問(wèn)題，可靠性才是第一位的。我們的外殼是壓鑄鋁合金，表面做了陽(yáng)極氧化處理，既能防腐蝕又能增加散熱效果。外殼內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了散熱鰭片，增大散熱面積。關(guān)鍵發(fā)熱部件通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與外殼緊密貼合，熱量可以快速傳導(dǎo)出去。這樣的設(shè)計(jì)雖然復(fù)雜，但是確實(shí)有效，我們的設(shè)備即使在60度高溫環(huán)境下滿負(fù)荷運(yùn)行，內(nèi)部芯片溫度也能控制在85度以內(nèi)，遠(yuǎn)低于芯片的最高耐溫105度。
PCB電路板是設(shè)備的核心，但是一般用戶看不到，也很少關(guān)注。其實(shí)PCB的設(shè)計(jì)和制造工藝，對(duì)設(shè)備的性能和可靠性有非常大的影響。消費(fèi)級(jí)路由器為了控制成本，一般用雙層板或者四層板，工藝也比較簡(jiǎn)單，噴錫或者鍍銀。這種板子短期使用沒(méi)問(wèn)題，但是長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下工作，就會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。
工業(yè)級(jí)路由器一般用六層板甚至更多層，為什么要這么多層？因?yàn)殡娐吩綇?fù)雜，需要的走線越多，如果只有兩層或者四層，很多走線要繞很遠(yuǎn)，不僅增加信號(hào)延遲，還容易產(chǎn)生串?dāng)_和反射。多層板可以讓電源層、地層、信號(hào)層分開(kāi)，互不干擾。而且中間的地層和電源層可以起到屏蔽作用，減少層與層之間的串?dāng)_。特別是對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)和射頻信號(hào)，多層板的性能優(yōu)勢(shì)非常明顯。
我們做過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同樣的電路設(shè)計(jì)，用四層板和六層板制作，在電磁兼容測(cè)試中，六層板的抗干擾能力明顯更強(qiáng)。在輻射發(fā)射測(cè)試中，六層板的輻射水平比四層板低5-10dB。在抗擾度測(cè)試中，六層板可以承受更高強(qiáng)度的干擾而不出現(xiàn)誤動(dòng)作。這些測(cè)試數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了多層板在電磁兼容性方面的優(yōu)勢(shì)。
PCB表面處理工藝也很重要。消費(fèi)級(jí)路由器一般用噴錫或者鍍銀，這兩種工藝便宜但是不耐用。噴錫表面不平整，焊接后可能有虛焊，而且錫在高溫下容易氧化。鍍銀表面雖然平整，但是銀容易硫化變黑，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)影響焊接質(zhì)量。工業(yè)級(jí)路由器一般用沉金工藝，也就是在銅箔表面化學(xué)鍍一層金。金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)氧化和硫化，而且導(dǎo)電性能好，焊接質(zhì)量高。沉金板的保存期長(zhǎng)，即使放幾年不用，焊盤表面依然光亮如新，不會(huì)影響焊接。
另外PCB的厚度、銅箔厚度也有講究。消費(fèi)級(jí)路由器的PCB一般是1.0mm厚，1盎司銅（35微米）。工業(yè)級(jí)路由器的PCB一般是1.6mm厚，2盎司銅（70微米）。更厚的板子強(qiáng)度更高，不容易彎曲變形。更厚的銅箔載流能力更強(qiáng)，發(fā)熱更小，而且抗機(jī)械應(yīng)力的能力更強(qiáng)。我們見(jiàn)過(guò)一些廉價(jià)產(chǎn)品，用很薄的板子，裝配時(shí)候螺絲稍微擰緊一點(diǎn)，板子就彎了，導(dǎo)致焊點(diǎn)受力，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)開(kāi)裂。
還有一個(gè)細(xì)節(jié)是PCB的阻焊油墨和字符油墨。工業(yè)級(jí)PCB用的是高溫阻焊油墨，可以承受多次回流焊的高溫而不變色、不脫落。字符油墨也是耐高溫、耐磨損的，不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用而磨掉。消費(fèi)級(jí)PCB用的油墨質(zhì)量差一些，時(shí)間長(zhǎng)了可能會(huì)變色、脫落，雖然不影響功能，但是看起來(lái)不專業(yè)。
電子元器件是設(shè)備的基本組成單元，但是同樣的元器件，也分不同的等級(jí)。一個(gè)電阻、一個(gè)電容，外表看起來(lái)都一樣，但是內(nèi)在質(zhì)量差別很大。這種差別不僅體現(xiàn)在性能參數(shù)上，更重要的是體現(xiàn)在可靠性和一致性上。
電子元器件按照應(yīng)用領(lǐng)域分為幾個(gè)等級(jí)：軍用級(jí)、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)、商業(yè)級(jí)、消費(fèi)級(jí)。軍用級(jí)最高，要求能在極端環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作，比如溫度范圍-55℃到+125℃，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的篩選和老化測(cè)試，故障率極低。工業(yè)級(jí)次之，溫度范圍一般是-40℃到+85℃或者+105℃，也要經(jīng)過(guò)較為嚴(yán)格的測(cè)試，可靠性比商業(yè)級(jí)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。汽車級(jí)類似工業(yè)級(jí)，但是對(duì)振動(dòng)、沖擊的要求更高。商業(yè)級(jí)是常溫范圍0℃到+70℃，可靠性一般。消費(fèi)級(jí)最低，只保證常溫范圍工作，可靠性最差。
工業(yè)級(jí)路由器應(yīng)該用什么等級(jí)的元器件？理論上應(yīng)該全部用工業(yè)級(jí)，但是實(shí)際上很難做到，因?yàn)椴皇撬性骷加泄I(yè)級(jí)版本，而且工業(yè)級(jí)元器件的供應(yīng)有時(shí)候不穩(wěn)定。所以一般的做法是，關(guān)鍵元器件用工業(yè)級(jí)，比如主控芯片、通信模組、電源芯片、高精度電阻電容等。非關(guān)鍵元器件可以用商業(yè)級(jí)，但是要經(jīng)過(guò)篩選，確保性能滿足要求。絕對(duì)不能用消費(fèi)級(jí)元器件，那是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不負(fù)責(zé)任。
怎么識(shí)別元器件的等級(jí)？一般元器件的型號(hào)里會(huì)有等級(jí)標(biāo)識(shí)，比如TI（德州儀器）的芯片，型號(hào)后綴I代表工業(yè)級(jí)（-40℃到+85℃），E代表擴(kuò)展級(jí)（-40℃到+125℃），C代表商業(yè)級(jí)（0℃到+70℃）。但是有些不規(guī)范的小廠商，會(huì)用商業(yè)級(jí)的芯片標(biāo)成工業(yè)級(jí)，這種造假行為很難從外表看出來(lái)，只有實(shí)際測(cè)試或者用專業(yè)儀器檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)。我們采購(gòu)元器件都是從原廠授權(quán)代理商那里買的，有正規(guī)的質(zhì)保書(shū)和可追溯性，絕不會(huì)從二手市場(chǎng)或者不明渠道采購(gòu)。
除了等級(jí)，還有一個(gè)重要因素是品牌。同樣是工業(yè)級(jí)元器件，不同品牌的質(zhì)量也有差別。國(guó)際大廠的產(chǎn)品，比如TI、Infineon、Murata、TDK等，質(zhì)量是有保證的，雖然價(jià)格高一點(diǎn)，但是可靠性好，故障率低。國(guó)內(nèi)也有一些不錯(cuò)的品牌，比如比亞迪半導(dǎo)體、兆易創(chuàng)新等，性價(jià)比不錯(cuò)。但是也有一些小品牌甚至是山寨貨，外表做得跟大廠一模一樣，但是內(nèi)在質(zhì)量差得遠(yuǎn)，用在產(chǎn)品里就是定時(shí)炸彈。我們的原則是，關(guān)鍵元器件必須用國(guó)際大廠的，非關(guān)鍵元器件可以用國(guó)內(nèi)品牌，但是要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試驗(yàn)證。
還有一個(gè)容易被忽略的問(wèn)題是元器件的一致性。即使是同一批次的元器件，性能參數(shù)也會(huì)有差異，這就是參數(shù)的離散性。好的元器件，參數(shù)離散性小，一致性好。差的元器件，參數(shù)離散性大，每個(gè)都不一樣。對(duì)于模擬電路和射頻電路來(lái)說(shuō)，元器件的一致性非常重要。如果一致性差，每個(gè)產(chǎn)品的性能都不一樣，有些好有些差，這在批量生產(chǎn)時(shí)是很大的問(wèn)題。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)會(huì)考慮元器件的離散性，留出足夠的余量，即使元器件參數(shù)有波動(dòng)，也能保證電路正常工作。而且我們?cè)谏a(chǎn)時(shí)會(huì)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，確保每臺(tái)產(chǎn)品都符合規(guī)格要求。
這是一個(gè)經(jīng)常引起爭(zhēng)議的話題。很多客戶看到我們的產(chǎn)品只有一個(gè)以太網(wǎng)口，第一反應(yīng)就是：這也太少了吧，怎么夠用？為什么不做多幾個(gè)口？這背后其實(shí)涉及到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念問(wèn)題。
首先要明確一點(diǎn)，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念和消費(fèi)產(chǎn)品是不一樣的。消費(fèi)產(chǎn)品追求功能多、性價(jià)比高、外觀漂亮，因?yàn)橐胀ㄏM(fèi)者。工業(yè)產(chǎn)品追求的是可靠性、適用性、維護(hù)性，功能不需要多，夠用就好，但是每個(gè)功能都要做到極致可靠。這是兩種完全不同的設(shè)計(jì)哲學(xué)。
從可靠性角度考慮，接口越多，故障點(diǎn)越多。每增加一個(gè)接口，就增加一個(gè)潛在的故障源。接口要焊接在PCB板上，焊點(diǎn)可能虛焊；接口要連接外部設(shè)備，連接器可能接觸不良；接口要做防護(hù)，密封可能失效。特別是在工業(yè)環(huán)境下，如果要做到IP66的防護(hù)等級(jí)，每個(gè)接口都需要用防水接頭，而防水接頭恰恰是最容易出問(wèn)題的地方。橡膠密封圈會(huì)老化，螺紋會(huì)磨損，時(shí)間長(zhǎng)了防護(hù)能力就下降了。我們統(tǒng)計(jì)過(guò)故障數(shù)據(jù)，多口路由器的故障率比單口路由器高20%左右，而且很多故障就是出在多余的接口上。
從應(yīng)用場(chǎng)景考慮，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式和家庭網(wǎng)絡(luò)不同。家庭網(wǎng)絡(luò)是星型拓?fù)洌酚善髯鳛橹行模苯舆B接多個(gè)終端設(shè)備，所以家用路由器需要多個(gè)LAN口。但是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般是分層架構(gòu)，路由器作為接入層設(shè)備，負(fù)責(zé)提供廣域網(wǎng)連接，然后通過(guò)工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行局域網(wǎng)擴(kuò)展，再連接各種終端設(shè)備。這種架構(gòu)層次清晰，管理方便，而且可以利用交換機(jī)的高級(jí)功能，比如VLAN劃分、QoS、環(huán)網(wǎng)冗余等。在這種架構(gòu)下，路由器只需要一個(gè)口連接交換機(jī)就夠了，不需要多個(gè)口。我們統(tǒng)計(jì)過(guò)客戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)，95%以上的應(yīng)用場(chǎng)景，一個(gè)千兆口就完全夠用了。
從維護(hù)角度考慮，接口少意味著故障點(diǎn)少，維護(hù)工作量小。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)人員不一定都是網(wǎng)絡(luò)專家，如果設(shè)備有很多接口，接線就很復(fù)雜，容易接錯(cuò)。而且接口多了，排查故障也更困難，不知道問(wèn)題出在哪個(gè)接口上。單口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單明了，一根線連接交換機(jī)，出了問(wèn)題很容易定位。
當(dāng)然我們也理解，確實(shí)有一些特殊場(chǎng)景需要多個(gè)口，比如不想額外部署交換機(jī)，或者空間受限，或者有特殊的網(wǎng)絡(luò)隔離要求。所以我們也提供多口型號(hào)，但是那是針對(duì)特定需求的，不是標(biāo)準(zhǔn)配置。對(duì)于大部分應(yīng)用，我們還是堅(jiān)持推薦單口方案，這是經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐驗(yàn)證的最優(yōu)選擇。
另外說(shuō)說(shuō)WiFi的問(wèn)題。很多人覺(jué)得WiFi是標(biāo)配，應(yīng)該都有。但是在工業(yè)應(yīng)用中，WiFi往往不是必需的。工業(yè)設(shè)備大多是有線連接，因?yàn)橛芯€連接更穩(wěn)定、更可靠。WiFi在工業(yè)環(huán)境下面臨很多挑戰(zhàn)：金屬設(shè)備遮擋嚴(yán)重、電磁干擾強(qiáng)、覆蓋范圍有限、安全性問(wèn)題等等。所以我們把WiFi設(shè)計(jì)成可選配置，需要的客戶可以選配，不需要的可以省掉，這樣更靈活。而且去掉WiFi還有一個(gè)好處，就是降低功耗和發(fā)熱，提高穩(wěn)定性。
這是工業(yè)級(jí)設(shè)備區(qū)別于消費(fèi)級(jí)設(shè)備的一個(gè)重要特征。消費(fèi)級(jí)設(shè)備都是單電源，工業(yè)級(jí)設(shè)備很多都支持雙電源冗余。有些客戶不理解，覺(jué)得這是廠商為了多賣錢搞的噱頭。實(shí)際上，雙電源冗余在工業(yè)應(yīng)用中是實(shí)實(shí)在在的剛需。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的供電環(huán)境往往不夠理想，可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。電源線路老化、接觸不良、負(fù)載波動(dòng)、雷擊浪涌、人為誤操作，都可能導(dǎo)致短暫或長(zhǎng)時(shí)間的供電中斷。對(duì)于消費(fèi)級(jí)設(shè)備，供電中斷就意味著設(shè)備斷電重啟，一般也就幾分鐘的事，影響不大。但是對(duì)于工業(yè)設(shè)備，情況完全不同。工業(yè)設(shè)備很多是24小時(shí)不間斷運(yùn)行的，連接的是關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，比如生產(chǎn)線控制、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等。如果因?yàn)殡娫磫?wèn)題導(dǎo)致設(shè)備斷網(wǎng)，輕則業(yè)務(wù)中斷幾分鐘，重則可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故、數(shù)據(jù)丟失、經(jīng)濟(jì)損失。
我們有個(gè)客戶是做注塑成型的，生產(chǎn)線上有幾十臺(tái)注塑機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到中控系統(tǒng)。有一次車間里一臺(tái)大功率設(shè)備啟動(dòng)，瞬間壓降導(dǎo)致路由器重啟，注塑機(jī)失去控制信號(hào)，模具里的塑料凝固了，結(jié)果整套模具報(bào)廢，損失幾十萬(wàn)。這就是典型的因?yàn)殡娫磫?wèn)題導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。如果當(dāng)時(shí)用的是雙電源路由器，這個(gè)事故完全可以避免。
雙電源冗余的工作原理很簡(jiǎn)單，設(shè)備有兩個(gè)獨(dú)立的電源輸入接口，可以同時(shí)連接兩路電源。設(shè)備內(nèi)部有智能電源管理電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩路電源的狀態(tài)。正常情況下，主電源供電，備用電源待機(jī)。當(dāng)主電源出現(xiàn)故障（電壓過(guò)低、斷電、短路等），管理電路會(huì)在幾毫秒內(nèi)檢測(cè)到異常，立即切換到備用電源。切換過(guò)程非常快，設(shè)備內(nèi)部的電容可以在切換過(guò)程中維持供電，不會(huì)出現(xiàn)斷電重啟的情況。當(dāng)主電源恢復(fù)正常后，可以自動(dòng)或手動(dòng)切回主電源。
這個(gè)功能看似簡(jiǎn)單，但是工程實(shí)現(xiàn)并不容易。首先要選擇合適的電源管理芯片，既要有快速的故障檢測(cè)能力，又要有可靠的切換機(jī)制。切換過(guò)程要平滑，不能出現(xiàn)電壓跌落或者尖峰。其次要設(shè)計(jì)合理的切換邏輯，什么情況下切換，什么情況下不切換，都要仔細(xì)考慮。比如主電源瞬間壓降又馬上恢復(fù)，這種情況要不要切換？如果切換太頻繁，反而影響穩(wěn)定性；如果不切換，可能會(huì)出現(xiàn)供電不足的情況。我們的方案是設(shè)置一個(gè)延遲閾值，只有故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)閾值才觸發(fā)切換，避免誤切換。
雙電源冗余不只是硬件上的冗余，還涉及到系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)理念。工業(yè)系統(tǒng)的高可用性，是通過(guò)多層冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雙電源只是其中一層，還有雙網(wǎng)口、雙SIM卡、雙設(shè)備等冗余措施。每增加一層冗余，系統(tǒng)的可用性就提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。單電源設(shè)備的可用性可能是99%，雙電源設(shè)備可以達(dá)到99.9%，再加上其他冗余措施，可以做到99.99%甚至更高。這對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常重要的。
當(dāng)然雙電源也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度。兩路電源要確保獨(dú)立，不能從同一個(gè)電源引出兩根線，那樣沒(méi)有冗余效果。要考慮電源的兼容性，支持不同電壓等級(jí)的電源同時(shí)接入。要考慮故障隔離，一路電源故障不能影響另一路。這些都需要精心設(shè)計(jì)和大量測(cè)試。我們?cè)谶@個(gè)功能上投入了很多研發(fā)精力，經(jīng)過(guò)幾百次測(cè)試，才做到了現(xiàn)在的性能水平：切換時(shí)間小于10ms，切換過(guò)程TCP連接不斷，業(yè)務(wù)不受影響。
技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)是選購(gòu)設(shè)備的重要依據(jù)，但是很多客戶對(duì)這些參數(shù)的理解存在誤區(qū)。有些參數(shù)看起來(lái)很高，實(shí)際上達(dá)不到；有些參數(shù)看起來(lái)不重要，實(shí)際上很關(guān)鍵。今天我就來(lái)詳細(xì)講講那些容易被誤解的技術(shù)指標(biāo)。
工作溫度是工業(yè)級(jí)設(shè)備最基本也最重要的指標(biāo)之一，但也是最容易被誤解的。我們的產(chǎn)品標(biāo)稱工作溫度-35℃到+75℃，經(jīng)常有客戶問(wèn)：那我的環(huán)境夏天最高60度，是不是就可以放心用了？表面上看確實(shí)是這樣，60度在75度的范圍內(nèi)，應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。但實(shí)際情況要復(fù)雜得多。
首先要明白，標(biāo)稱的工作溫度是指環(huán)境溫度，也就是設(shè)備外部的空氣溫度，不是設(shè)備內(nèi)部的溫度。設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，內(nèi)部溫度會(huì)比環(huán)境溫度高很多。一臺(tái)功耗10瓦的設(shè)備，在密閉環(huán)境下，內(nèi)部溫度可能比環(huán)境溫度高20-30度。如果環(huán)境溫度是60度，設(shè)備內(nèi)部可能就達(dá)到80-90度了。雖然主控芯片的最高工作溫度可能是105度，看起來(lái)還有余量，但是電路板上還有很多其他元器件，它們的耐溫可能沒(méi)那么高。而且在高溫下，元器件的性能會(huì)下降，壽命會(huì)大幅縮短。
我們做過(guò)詳細(xì)的溫度測(cè)試。在不同的環(huán)境溫度下，測(cè)量設(shè)備內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，包括主控芯片、通信模組、電源芯片、PCB板等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在60度環(huán)境溫度下，設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行，主控芯片的溫度可以達(dá)到82度，通信模組85度，電源芯片90度。這些溫度雖然沒(méi)有超過(guò)器件的最高工作溫度，但是已經(jīng)很接近了。長(zhǎng)期在這種溫度下工作，器件的老化速度會(huì)加快，故障率會(huì)上升，壽命會(huì)縮短。
所以我們的建議是，雖然設(shè)備可以在75度環(huán)境溫度下工作，但是為了保證長(zhǎng)期穩(wěn)定性，建議環(huán)境溫度不要超過(guò)60度。如果實(shí)在沒(méi)辦法，環(huán)境溫度就是很高，那就要想辦法改善散熱條件。比如加裝遮陽(yáng)罩、增加通風(fēng)、加裝散熱風(fēng)扇、降低設(shè)備負(fù)載等。這些措施看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是效果很明顯，可以讓設(shè)備內(nèi)部溫度降低10-15度，大幅提高可靠性。
另外還要注意一點(diǎn)，工作溫度范圍不只是指設(shè)備能開(kāi)機(jī)工作的溫度范圍，更重要的是指設(shè)備能保證性能和可靠性的溫度范圍。有些設(shè)備在極端溫度下雖然能工作，但是性能會(huì)大幅下降，比如網(wǎng)絡(luò)速率降低、時(shí)延增加、丟包率上升等。我們的設(shè)備在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，性能指標(biāo)都能保持在規(guī)格要求以內(nèi)，不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓霈F(xiàn)明顯的性能下降。這是通過(guò)精心的熱設(shè)計(jì)和大量的測(cè)試驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)的。
低溫方面相對(duì)簡(jiǎn)單一些，因?yàn)樵O(shè)備工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，低溫環(huán)境反而有助于散熱。但是極低溫也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。比如LCD顯示屏在低溫下響應(yīng)會(huì)變慢，甚至不顯示。鋰電池在低溫下容量會(huì)下降，性能會(huì)變差。潤(rùn)滑油會(huì)變稠，機(jī)械部件會(huì)變脆。不過(guò)工業(yè)路由器一般沒(méi)有這些部件，所以低溫影響相對(duì)較小。但是要注意一點(diǎn)，設(shè)備在極低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間放置后，不要立即通電，要讓設(shè)備先回到常溫，避免冷凝水的產(chǎn)生。我見(jiàn)過(guò)有客戶把設(shè)備從零下20度的室外拿到常溫室內(nèi)，立即通電，結(jié)果電路板上凝結(jié)了水珠，導(dǎo)致短路。正確的做法是，讓設(shè)備在常溫環(huán)境下放置至少1小時(shí)，等溫度平衡了再通電。
IP防護(hù)等級(jí)是另一個(gè)容易被誤解的參數(shù)。很多客戶看到IP66就覺(jué)得很厲害，可以防水了。實(shí)際上IP66只能防噴水，不能浸水。這個(gè)必須說(shuō)清楚，否則客戶用錯(cuò)了，設(shè)備進(jìn)水損壞，責(zé)任很難界定。
IP防護(hù)等級(jí)是一套國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60529），由兩個(gè)數(shù)字組成。第一個(gè)數(shù)字代表防塵等級(jí)，從0到6，6是最高級(jí)，表示完全防止灰塵進(jìn)入。第二個(gè)數(shù)字代表防水等級(jí)，從0到9，數(shù)字越大防護(hù)能力越強(qiáng)。我們的產(chǎn)品是IP66，意思是防塵等級(jí)6（完全防塵），防水等級(jí)6（防強(qiáng)力噴水）。
防水等級(jí)6的具體定義是：使用內(nèi)徑12.5mm的噴嘴，水流量100升/分鐘，壓力100kPa，從任意方向?qū)?zhǔn)設(shè)備噴射，持續(xù)至少3分鐘，測(cè)試后設(shè)備內(nèi)部不能有進(jìn)水現(xiàn)象，功能正常。這個(gè)測(cè)試模擬的是強(qiáng)力噴水的場(chǎng)景，比如用高壓水槍沖洗設(shè)備，或者暴雨天氣。但是注意，測(cè)試時(shí)間只有3分鐘，不是持續(xù)幾小時(shí)幾天。而且水壓和水流量是有限的，不是說(shuō)任何強(qiáng)度的噴水都能防。
如果要防浸水，需要達(dá)到IPX7或IPX8。IPX7的標(biāo)準(zhǔn)是，設(shè)備浸入1米深的水中，持續(xù)30分鐘，不能進(jìn)水。IPX8的標(biāo)準(zhǔn)更高，可以在更深的水中持續(xù)浸泡，具體深度和時(shí)間由廠商和用戶協(xié)商確定。很多客戶把IPX6和IPX7搞混，以為能防強(qiáng)力噴水就能防浸水，這是完全錯(cuò)誤的。IPX6強(qiáng)調(diào)的是高壓噴水，但時(shí)間短；IPX7強(qiáng)調(diào)的是浸水時(shí)間長(zhǎng)，但水壓低。兩者的測(cè)試方法和應(yīng)用場(chǎng)景完全不同。
我們的產(chǎn)品是IP66，適合戶外使用，可以經(jīng)受風(fēng)吹雨淋，可以用水槍沖洗（短時(shí)間），但是不能長(zhǎng)時(shí)間泡在水里。如果設(shè)備掉進(jìn)水池、河流、海里，肯定會(huì)進(jìn)水損壞。所以安裝時(shí)一定要注意，設(shè)備要裝在不會(huì)被水淹沒(méi)的位置，即使下大雨積水也不能淹到設(shè)備。
另外還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，IP防護(hù)等級(jí)不是永久不變的，會(huì)隨著時(shí)間推移而下降。橡膠密封圈會(huì)老化，螺紋會(huì)磨損，表面涂層會(huì)脫落，這些都會(huì)導(dǎo)致防護(hù)能力下降。我們建議，設(shè)備投入使用后，每年至少檢查一次防護(hù)狀況，特別是各個(gè)接頭部位。如果發(fā)現(xiàn)密封圈有老化跡象，要及時(shí)更換。如果長(zhǎng)期在鹽霧、高溫、強(qiáng)紫外線環(huán)境下使用，檢查頻率要更高，可能需要每半年甚至每季度檢查一次。
還有一個(gè)容易被忽略的問(wèn)題是，IP防護(hù)等級(jí)的測(cè)試是針對(duì)整機(jī)的，但是在實(shí)際使用中，用戶可能會(huì)打開(kāi)外殼，更換SIM卡、調(diào)整配置等。如果外殼沒(méi)有蓋好，密封圈沒(méi)有到位，防護(hù)能力就會(huì)大打折扣。我們遇到過(guò)很多這樣的案例，客戶反映設(shè)備進(jìn)水了，我們拿回來(lái)檢查，發(fā)現(xiàn)是外殼蓋沒(méi)有擰緊，或者密封圈裝偏了。所以使用時(shí)一定要按照說(shuō)明書(shū)的要求，正確安裝外殼蓋，確保密封到位。
網(wǎng)絡(luò)速率是客戶最關(guān)心的性能指標(biāo)之一，但也是最容易產(chǎn)生誤解的。廠商宣傳的速率都是理論峰值，實(shí)際使用中根本達(dá)不到。這不是廠商故意欺騙，而是網(wǎng)絡(luò)通信的特性決定的。
以4G網(wǎng)絡(luò)為例，Cat4模組的理論下行速率是150Mbps，上行速率是50Mbps。但這是在理想條件下的峰值速率：信號(hào)強(qiáng)度最好（RSRP>-70dBm），信噪比最高（SINR>20dB），基站不擁塞，使用最高的調(diào)制編碼方案（64QAM），載波聚合全開(kāi)。在實(shí)際應(yīng)用中，這些條件很難同時(shí)滿足。
信號(hào)強(qiáng)度受距離、遮擋、天氣等因素影響。在城市里，距離基站500米范圍內(nèi)，信號(hào)一般還不錯(cuò)，RSRP能到-75dBm左右。超過(guò)1公里，信號(hào)就開(kāi)始變?nèi)酰琑SRP可能降到-90dBm甚至更低。郊區(qū)和農(nóng)村，基站密度低，信號(hào)更差。遮擋也是個(gè)大問(wèn)題，金屬建筑、地下室、山體遮擋，都會(huì)嚴(yán)重衰減信號(hào)。
信噪比受干擾影響很大。基站周圍如果有其他發(fā)射源，比如其他基站、WiFi熱點(diǎn)、對(duì)講機(jī)、雷達(dá)等，都會(huì)產(chǎn)生干擾，降低信噪比。工業(yè)環(huán)境的電磁干擾特別強(qiáng)，變頻器、電焊機(jī)、大功率電機(jī)都是干擾源，SINR可能只有幾個(gè)dB。
基站負(fù)荷也是重要因素。一個(gè)基站同時(shí)服務(wù)幾十上百個(gè)用戶，帶寬是大家共享的。高峰時(shí)段，用戶多、流量大，每個(gè)用戶分到的帶寬就少。我們測(cè)試過(guò)，同一個(gè)位置，凌晨三四點(diǎn)鐘速率能到70-80Mbps，晚上八九點(diǎn)鐘只有20-30Mbps，差距三倍。
調(diào)制編碼方案也會(huì)根據(jù)信道質(zhì)量動(dòng)態(tài)調(diào)整。信號(hào)好的時(shí)候用64QAM，速率高；信號(hào)差的時(shí)候用QPSK，速率低但是可靠性高。這個(gè)調(diào)整過(guò)程是自動(dòng)的，用戶感覺(jué)不到，但是速率會(huì)實(shí)時(shí)變化。
綜合這些因素，4G網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際速率，在城市里一般是30-80Mbps下行，10-30Mbps上行。在郊區(qū)和農(nóng)村，可能只有10-30Mbps下行，5-15Mbps上行。這是一個(gè)比較真實(shí)的數(shù)據(jù)范圍，雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論值，但對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。
5G網(wǎng)絡(luò)的情況類似，理論速率可以到幾個(gè)Gbps，但實(shí)際使用中，在信號(hào)好的地方，也就是300-800Mbps下行，50-150Mbps上行。如果信號(hào)不好，或者基站負(fù)荷高，速率還會(huì)更低。所以看速率指標(biāo)的時(shí)候，不要被理論值迷惑，要看實(shí)際能達(dá)到多少。最可靠的方法是在實(shí)際使用環(huán)境中測(cè)試，用專業(yè)的測(cè)速工具，測(cè)試不同時(shí)間段、不同位置的速率，取平均值，這才是真實(shí)的性能。
還有一個(gè)容易被忽略的問(wèn)題是上行速率。很多客戶只關(guān)注下行速率，覺(jué)得下行快就行了。但是對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，上行速率往往更重要。因?yàn)楹芏喙I(yè)應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控，需要把數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)上傳到云端或者中心機(jī)房，這都是上行流量。4G的上行速率本來(lái)就比下行低很多，再加上基站的上行資源比下行更緊張，實(shí)際的上行速率可能只有下行的1/5到1/3。如果應(yīng)用需要大量上行流量，一定要重點(diǎn)測(cè)試上行速率，不要只看下行。
時(shí)延是實(shí)時(shí)性應(yīng)用非常關(guān)心的指標(biāo)，但是很多人對(duì)時(shí)延的理解不夠準(zhǔn)確。時(shí)延有很多種定義：空口時(shí)延、端到端時(shí)延、往返時(shí)延、單向時(shí)延等等。不同的定義，測(cè)試方法不同，數(shù)值也不同，不能簡(jiǎn)單對(duì)比。
空口時(shí)延是指數(shù)據(jù)在無(wú)線接口（手機(jī)或CPE到基站）上的傳輸時(shí)延。4G的空口時(shí)延理論值是10-20ms（單向），5G可以做到1-5ms。這是無(wú)線通信的固有特性，受調(diào)制方式、幀結(jié)構(gòu)、調(diào)度算法等影響。空口時(shí)延是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的一部分，但不是全部。
端到端時(shí)延是指數(shù)據(jù)從源端到目的端的總時(shí)延，包括空口時(shí)延、核心網(wǎng)時(shí)延、傳輸網(wǎng)時(shí)延、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)延等。這是用戶實(shí)際感受到的時(shí)延，也是最有意義的指標(biāo)。但是端到端時(shí)延的組成很復(fù)雜，受很多因素影響，很難精確測(cè)量和預(yù)測(cè)。
往返時(shí)延（RTT）是最常用的測(cè)試方法，就是ping命令測(cè)出來(lái)的時(shí)延。ping從源端發(fā)一個(gè)ICMP包到目的端，目的端收到后原樣返回，測(cè)量這個(gè)來(lái)回的時(shí)間，就是往返時(shí)延。往返時(shí)延等于單向時(shí)延的兩倍（理想情況下），但是實(shí)際上去程和回程的路徑可能不同，時(shí)延也可能不同，所以往返時(shí)延不能簡(jiǎn)單除以2當(dāng)成單向時(shí)延。
我們測(cè)試過(guò)，4G網(wǎng)絡(luò)的端到端往返時(shí)延，在信號(hào)好、網(wǎng)絡(luò)不擁塞的情況下，一般是50-100ms。5G網(wǎng)絡(luò)可以做到30-60ms。但是這只是到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)關(guān)的時(shí)延，如果目的地是互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器，還要加上互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)延，可能要再加幾十毫秒。
時(shí)延不是固定不變的，會(huì)實(shí)時(shí)波動(dòng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延波動(dòng)比有線網(wǎng)絡(luò)大得多，有時(shí)候可能幾十毫秒，有時(shí)候可能幾百毫秒。時(shí)延波動(dòng)（jitter）對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用影響很大，比如語(yǔ)音通話、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程控制等。時(shí)延大一點(diǎn)還能忍受，但是時(shí)延波動(dòng)大，會(huì)導(dǎo)致通話斷斷續(xù)續(xù)、視頻卡頓、控制延遲不穩(wěn)定，用戶體驗(yàn)很差。
我們?cè)跍y(cè)試時(shí)延時(shí)，不只測(cè)平均值，還要測(cè)時(shí)延的分布情況，包括最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、99百分位值等。99百分位值的意思是，99%的包的時(shí)延都小于這個(gè)值，只有1%的包超過(guò)。這個(gè)指標(biāo)比平均值更能反映實(shí)際體驗(yàn)。比如平均時(shí)延50ms，但是99百分位值200ms，說(shuō)明雖然大部分時(shí)候時(shí)延不錯(cuò)，但是偶爾會(huì)出現(xiàn)很大的時(shí)延峰值，這對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用是不可接受的。
對(duì)于時(shí)延敏感的應(yīng)用，我的建議是，不要只看廠商給的理論值，一定要在實(shí)際環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。測(cè)試時(shí)間至少要幾個(gè)小時(shí)，最好是24小時(shí)，覆蓋不同的時(shí)間段，因?yàn)闀r(shí)延會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化。測(cè)試方法可以用持續(xù)ping，每秒ping一次，記錄所有的時(shí)延數(shù)據(jù)，然后做統(tǒng)計(jì)分析。如果平均時(shí)延和99百分位時(shí)延都滿足要求，那就可以放心使用；如果經(jīng)常出現(xiàn)很大的時(shí)延峰值，那就要考慮優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)或者換其他方案。
講了這么多理論，該說(shuō)說(shuō)實(shí)際應(yīng)用了。工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，不同的場(chǎng)景對(duì)設(shè)備的要求完全不同。今天我就挑幾個(gè)典型場(chǎng)景，詳細(xì)講講技術(shù)選型的思路和方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。
戶外視頻監(jiān)控是工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景之一。看似簡(jiǎn)單，就是把攝像頭的視頻通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回來(lái)，但實(shí)際上有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要注意。
首先是帶寬需求的計(jì)算。很多客戶對(duì)帶寬的概念比較模糊，不知道要多大的帶寬。其實(shí)這個(gè)計(jì)算并不復(fù)雜。一路1080P的視頻，用H.264編碼，碼流一般是4-6Mbps。如果是H.265編碼，碼流可以降到2.5-4Mbps。4路攝像頭，用H.264編碼，總帶寬需求就是16-24Mbps。再加上一些協(xié)議開(kāi)銷、重傳等，實(shí)際需要的帶寬大概是30Mbps左右。
這個(gè)帶寬用4G完全可以滿足，不需要上5G。但是要注意，這是上行帶寬，也就是從現(xiàn)場(chǎng)傳到中心的方向。4G的上行帶寬本來(lái)就比下行小，而且上行資源更緊張。實(shí)際測(cè)試時(shí)，要重點(diǎn)測(cè)試上行速率。如果上行速率能穩(wěn)定在40-50Mbps以上，那傳4路1080P視頻是沒(méi)問(wèn)題的。如果上行速率只有20-30Mbps，那就要考慮降低視頻碼流，或者減少攝像頭數(shù)量，或者改用H.265編碼。
其次是信號(hào)覆蓋的問(wèn)題。戶外監(jiān)控點(diǎn)往往比較分散，有些位置離基站很遠(yuǎn)，信號(hào)不好。信號(hào)弱不只是影響速率，更重要的是影響穩(wěn)定性。信號(hào)弱的時(shí)候，丟包率會(huì)上升，連接容易斷開(kāi)，視頻會(huì)卡頓或者黑屏。所以部署前一定要做信號(hào)勘測(cè)，用專業(yè)的4G/5G測(cè)試手機(jī)或者頻譜儀，測(cè)試每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度。
如果信號(hào)不好，有幾種解決辦法。第一是調(diào)整安裝位置，盡量裝在高處、開(kāi)闊處，避免遮擋。第二是更換高增益天線，用定向天線對(duì)準(zhǔn)基站方向，可以提升5-10dB的信號(hào)強(qiáng)度。第三是加裝信號(hào)放大器，但是要注意放大器的合法性問(wèn)題，有些地區(qū)不允許私自使用信號(hào)放大器。第四是考慮換運(yùn)營(yíng)商，不同運(yùn)營(yíng)商在同一位置的信號(hào)強(qiáng)度可能差別很大，可以都測(cè)試一下，選信號(hào)最好的。
第三是防護(hù)等級(jí)的要求。戶外監(jiān)控面臨風(fēng)吹雨淋、日曬雨淋，設(shè)備必須有足夠的防護(hù)能力。IP66是基本要求，能防雨水、防塵。但是還要考慮其他因素，比如防曬、防雷、防鹽霧等。
防曬很重要但經(jīng)常被忽略。設(shè)備長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光下，外殼溫度可以達(dá)到70-80度，內(nèi)部溫度更高。即使設(shè)備標(biāo)稱工作溫度到75度，但長(zhǎng)期在這種溫度下工作，壽命會(huì)大打折扣。所以建議給設(shè)備加裝遮陽(yáng)罩，或者裝在有遮擋的位置。遮陽(yáng)罩不只是遮陽(yáng)，還能擋雨，一舉兩得。
防雷也很關(guān)鍵。戶外設(shè)備，特別是裝在高處的，容易遭雷擊。雖然直擊雷的概率很小，但是雷電感應(yīng)的影響很大。雷擊附近的地面或建筑物，會(huì)在電源線、網(wǎng)線、天線上感應(yīng)出高壓脈沖，瞬間可以達(dá)到幾千伏，足以擊穿電路。所以電源線、網(wǎng)線、天線饋線上都要加裝防雷器，把雷電能量導(dǎo)入大地。設(shè)備本身也要做好接地，接地電阻要小于4歐姆。
防鹽霧是沿海地區(qū)特別要注意的。海邊的空氣含鹽量高，鹽霧對(duì)金屬腐蝕很嚴(yán)重。普通的金屬外殼，半年就會(huì)銹蝕。要用耐腐蝕的材料，比如鋁合金、不銹鋼，而且表面要做防護(hù)處理，比如陽(yáng)極氧化、噴涂等。接口部位是最容易腐蝕的，要定期檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕及時(shí)處理。
第四是供電的問(wèn)題。戶外監(jiān)控點(diǎn)往往沒(méi)有市電，或者市電不穩(wěn)定。這時(shí)候要考慮備用電源方案。常見(jiàn)的有兩種：UPS和太陽(yáng)能。
UPS方案適合有市電但供電不穩(wěn)定的情況。市電正常時(shí)給設(shè)備供電，同時(shí)給UPS充電。市電故障時(shí)UPS供電，可以撐幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)，取決于UPS的容量。這種方案簡(jiǎn)單可靠，但是UPS本身也是有壽命的，一般3-5年要更換電池。
太陽(yáng)能方案適合沒(méi)有市電的偏遠(yuǎn)地區(qū)。太陽(yáng)能板給蓄電池充電，蓄電池給設(shè)備供電。這種方案的難點(diǎn)是要計(jì)算太陽(yáng)能系統(tǒng)的容量。設(shè)備功耗是多少，每天工作多少小時(shí)，當(dāng)?shù)氐娜照諚l件如何，陰雨天能撐幾天，這些都要考慮。一般的經(jīng)驗(yàn)是，太陽(yáng)能板功率至少要是設(shè)備功耗的5-10倍，蓄電池容量要能保證3-5天的陰雨天供電。比如設(shè)備功耗10瓦，24小時(shí)工作，一天耗電240瓦時(shí)。考慮轉(zhuǎn)換損耗和余量，蓄電池至少要500瓦時(shí)，也就是12V 40Ah左右。如果要保證5天陰雨天，蓄電池要2000瓦時(shí)，也就是12V 160Ah。太陽(yáng)能板按當(dāng)?shù)厝照?小時(shí)計(jì)算，要給500瓦時(shí)充電，考慮效率，太陽(yáng)能板要150瓦以上。
第五是視頻編碼和傳輸協(xié)議的選擇。前面說(shuō)了H.265比H.264省帶寬30-40%，所以如果攝像頭和錄像機(jī)都支持H.265，優(yōu)先用H.265。但是H.265對(duì)解碼性能要求更高，如果錄像機(jī)或者客戶端性能不夠，可能會(huì)卡頓。
傳輸協(xié)議方面，建議用RTSP over TCP而不是UDP。雖然UDP理論上延遲更低，但是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，UDP丟包率很高，而且丟了就丟了，不會(huì)重傳，導(dǎo)致視頻花屏、卡頓。TCP雖然有點(diǎn)延遲，但是有重傳機(jī)制，丟包了會(huì)重傳，保證數(shù)據(jù)完整性。對(duì)于監(jiān)控應(yīng)用來(lái)說(shuō)，延遲幾百毫秒是可以接受的，但是視頻花屏、丟幀是不能接受的。
還有一個(gè)技巧是調(diào)整視頻參數(shù)。I幀間隔不要設(shè)置太長(zhǎng)，建議2秒。I幀間隔太長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間花屏。碼率模式用CBR（固定碼率）而不是VBR（可變碼率）。CBR雖然壓縮率稍低，但是帶寬需求穩(wěn)定，便于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。VBR雖然壓縮率高，但是碼率波動(dòng)大，復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)碼率會(huì)飆升，可能超過(guò)網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致卡頓。
最后說(shuō)說(shuō)管理和維護(hù)。戶外監(jiān)控點(diǎn)分散，數(shù)量多，如果靠人工去現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，成本很高。所以一定要有遠(yuǎn)程管理能力，可以遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)、信號(hào)質(zhì)量、流量統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)日志等。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，不要等到設(shè)備完全不能用了才去現(xiàn)場(chǎng)。
還要建立設(shè)備檔案，記錄每個(gè)設(shè)備的安裝位置、安裝時(shí)間、配置參數(shù)、維護(hù)記錄等。這樣出了問(wèn)題可以快速定位，不用到處找。建議每季度巡檢一次，檢查設(shè)備外觀、接頭、防護(hù)狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。雖然工業(yè)級(jí)設(shè)備可靠性高，但是定期維護(hù)還是必要的，可以大幅延長(zhǎng)設(shè)備壽命。
工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和一般的IT應(yīng)用有很大區(qū)別，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也不同。工業(yè)設(shè)備包括PLC、工控機(jī)、傳感器、執(zhí)行器等，它們通常使用工業(yè)通信協(xié)議，比如Modbus、Profinet、EtherCAT、OPC UA等。這些協(xié)議和普通的TCP/IP協(xié)議有區(qū)別，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、抖動(dòng)、可靠性要求更高。
首先是協(xié)議的支持。工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器要能透?jìng)鞲鞣N工業(yè)協(xié)議，不能像家用路由器那樣做深度包檢測(cè)、應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)之類的，那樣會(huì)破壞工業(yè)協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)。工業(yè)路由器應(yīng)該工作在透明傳輸模式，把數(shù)據(jù)原封不動(dòng)地傳遞，就像一根透明的網(wǎng)線一樣。
其次是時(shí)延和抖動(dòng)的控制。工業(yè)控制系統(tǒng)，特別是實(shí)時(shí)性要求高的，比如運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制，對(duì)時(shí)延和抖動(dòng)的要求很嚴(yán)格。PLC和遠(yuǎn)程I/O之間的通信，時(shí)延要控制在10ms以內(nèi)，抖動(dòng)要小于2ms。這對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是很大的挑戰(zhàn)。4G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延一般是50-100ms，抖動(dòng)可能有幾十毫秒，很難滿足要求。5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可以做到20-50ms，抖動(dòng)也更小，相對(duì)好一些。
但即使是5G，也很難達(dá)到有線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延水平。所以對(duì)于實(shí)時(shí)性要求特別高的控制回路，不建議用無(wú)線，還是用有線更可靠。無(wú)線可以用在監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、非實(shí)時(shí)控制這些對(duì)時(shí)延要求不那么嚴(yán)格的應(yīng)用。
第三是可靠性的要求。工業(yè)控制系統(tǒng)，特別是連續(xù)生產(chǎn)的流程工業(yè)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性要求極高。網(wǎng)絡(luò)中斷哪怕幾秒鐘，都可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故。所以一定要有冗余措施，比如雙CPE、雙SIM卡、雙鏈路等。主鏈路故障時(shí)，備用鏈路立即接管，保證業(yè)務(wù)不中斷。
第四是安全性的考慮。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全性要求比IT網(wǎng)絡(luò)更高，因?yàn)橐坏┍还簦赡軐?dǎo)致生產(chǎn)停工、設(shè)備損壞、甚至人員傷亡。所以工業(yè)無(wú)線路由器要有完善的安全機(jī)制，包括防火墻、VPN、訪問(wèn)控制、入侵檢測(cè)等。
我們的設(shè)備支持IPsec VPN、L2TP VPN、OpenVPN等多種VPN協(xié)議，可以在設(shè)備和控制中心之間建立加密隧道，保證數(shù)據(jù)傳輸安全。支持基于MAC地址、IP地址、端口的訪問(wèn)控制列表（ACL），可以精確控制哪些設(shè)備可以訪問(wèn)哪些資源。支持網(wǎng)絡(luò)隔離，可以把控制網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)隔離開(kāi)，即使管理網(wǎng)絡(luò)被攻擊，也不影響控制網(wǎng)絡(luò)。
第五是環(huán)境適應(yīng)性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比辦公室惡劣得多。溫度可能很高或很低，濕度可能很大，粉塵可能很多，振動(dòng)可能很強(qiáng)，電磁干擾可能很強(qiáng)。設(shè)備必須能適應(yīng)這些惡劣環(huán)境，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
我們的設(shè)備工作溫度范圍-35℃到+75℃，可以適應(yīng)絕大多數(shù)工業(yè)環(huán)境。外殼是金屬的，可以承受振動(dòng)和沖擊。內(nèi)部PCB板用硅膠固定，防止振動(dòng)導(dǎo)致的虛焊。電源有過(guò)壓、過(guò)流、短路、反接保護(hù)，即使供電不穩(wěn)定也能正常工作。
還有一個(gè)容易被忽略的問(wèn)題是安裝方式。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不像辦公室有機(jī)柜、桌面可以放設(shè)備。工業(yè)設(shè)備一般是裝在DIN導(dǎo)軌上，或者用螺絲固定在墻上、鋼梁上。所以工業(yè)路由器要提供靈活的安裝方式，我們的設(shè)備既可以裝在DIN導(dǎo)軌上，也可以用螺絲固定，還可以掛在墻上，適應(yīng)各種安裝場(chǎng)景。
最后說(shuō)說(shuō)工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)。常見(jiàn)的有兩種：集中式和分布式。
集中式架構(gòu)是所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)無(wú)線路由器連接到中心機(jī)房的服務(wù)器，服務(wù)器做集中控制和數(shù)據(jù)處理。這種架構(gòu)簡(jiǎn)單，管理方便，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)影響所有設(shè)備。適合設(shè)備數(shù)量不多、地理位置分散的場(chǎng)景。
分布式架構(gòu)是在現(xiàn)場(chǎng)部署邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)做本地控制和數(shù)據(jù)處理，只把重要數(shù)據(jù)或者匯總數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳到中心。這種架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴性低，即使網(wǎng)絡(luò)故障，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還能繼續(xù)工作。適合設(shè)備數(shù)量多、實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景。
移動(dòng)設(shè)備包括車輛、船舶、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等，它們?cè)谝苿?dòng)過(guò)程中需要保持網(wǎng)絡(luò)連接。移動(dòng)組網(wǎng)比固定組網(wǎng)復(fù)雜得多，主要的挑戰(zhàn)是切換和覆蓋。
切換是指設(shè)備在移動(dòng)過(guò)程中，從一個(gè)基站切換到另一個(gè)基站。切換過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)短暫的連接中斷，導(dǎo)致業(yè)務(wù)受影響。無(wú)線通信系統(tǒng)有各種切換技術(shù)來(lái)減少切換時(shí)延，但是完全無(wú)感知的切換是很難做到的。
4G網(wǎng)絡(luò)的切換時(shí)延一般是幾百毫秒到1秒，這對(duì)于瀏覽網(wǎng)頁(yè)、看視頻等應(yīng)用影響不大，但是對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，比如遠(yuǎn)程控制、視頻會(huì)議，切換時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)卡頓。5G網(wǎng)絡(luò)的切換時(shí)延更短，一般在幾十毫秒到幾百毫秒，相對(duì)好一些。
覆蓋是另一個(gè)大問(wèn)題。移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)范圍可能很大，跨越多個(gè)基站甚至多個(gè)城市。如果有的地方?jīng)]有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，或者信號(hào)很弱，設(shè)備就會(huì)失聯(lián)。所以部署前要做好覆蓋規(guī)劃，了解移動(dòng)路線上的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，對(duì)于覆蓋不好的地方，要考慮備用方案。
移動(dòng)設(shè)備的天線安裝也有講究。車輛上安裝天線，一般用吸盤天線或者打孔安裝。吸盤天線安裝簡(jiǎn)單，但是牢固性差，高速行駛時(shí)可能被吹掉。打孔安裝牢固，但是要在車頂打孔，有些用戶不愿意。船舶上安裝天線，要考慮防鹽霧腐蝕，天線和饋線都要用防腐材料。無(wú)人機(jī)上安裝天線，要考慮重量和空間限制，一般用輕量化的小型天線。
移動(dòng)設(shè)備的供電也是個(gè)問(wèn)題。車輛可以從車載電源取電，一般是DC12V或DC24V。但是車載電源的質(zhì)量不太好，電壓波動(dòng)大，有時(shí)候會(huì)有很大的尖峰和浪涌，比如啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)。所以設(shè)備的電源要有寬電壓輸入，要有過(guò)壓、欠壓、浪涌保護(hù)。
船舶的供電一般是蓄電池，電壓比較穩(wěn)定，但是要考慮功耗問(wèn)題。如果是小船，蓄電池容量有限，設(shè)備功耗要盡量低。無(wú)人機(jī)的供電更嚴(yán)格，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)對(duì)重量和功耗要求極高，設(shè)備要盡量輕、盡量省電。
移動(dòng)應(yīng)用還要考慮一個(gè)特殊的問(wèn)題，就是移動(dòng)過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)性能。設(shè)備靜止時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能一般比較穩(wěn)定。但是設(shè)備移動(dòng)時(shí)，特別是高速移動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)下降。這是因?yàn)槎嗥绽招?yīng)、快速切換、信道快速變化等原因。我們測(cè)試過(guò)，車速100km/h時(shí)，網(wǎng)絡(luò)速率會(huì)比靜止時(shí)降低20-30%，丟包率會(huì)上升。所以做方案時(shí)要留有余量，不要卡著極限用。
還有一個(gè)問(wèn)題是移動(dòng)中的視頻傳輸。車載監(jiān)控、無(wú)人機(jī)航拍，都需要實(shí)時(shí)傳輸視頻。移動(dòng)中的視頻傳輸比固定位置更困難，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞。如果用固定碼率編碼，網(wǎng)絡(luò)不好時(shí)會(huì)丟包、卡頓。更好的方案是用自適應(yīng)碼率編碼，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬實(shí)時(shí)調(diào)整視頻碼率。網(wǎng)絡(luò)好時(shí)用高碼率，畫質(zhì)好；網(wǎng)絡(luò)不好時(shí)降低碼率，保證流暢。這種技術(shù)需要攝像頭和編碼器支持，不是所有設(shè)備都有。
寫這篇文章不是為了顯擺自己懂得多，也不是為了給公司打廣告。我只是覺(jué)得，這個(gè)行業(yè)信息太不透明了。客戶不懂技術(shù)，全靠銷售和廠商的一面之詞，吃虧的太多。如果這篇文章能讓一部分人少踩坑、少花冤枉錢、少走彎路，那就值了。很多同行可能會(huì)覺(jué)得我說(shuō)得太直白了，把行業(yè)的一些灰色地帶都扒出來(lái)了，會(huì)不會(huì)得罪人。但我覺(jué)得，行業(yè)要健康發(fā)展，就需要更透明。客戶有知情權(quán)，廠商也應(yīng)該坦誠(chéng)相待。藏著掖著，短期能騙到一些客戶，長(zhǎng)期來(lái)看還是會(huì)被市場(chǎng)淘汰的。當(dāng)然這篇文章是站在廠商技術(shù)人員的角度寫的，難免會(huì)有一些偏向性。我盡量做到客觀公正，但肯定不可能完全中立。建議大家多方求證，多看幾家廠商的說(shuō)法，多聽(tīng)聽(tīng)用過(guò)的人的意見(jiàn)，形成自己的判斷。如果這篇文章對(duì)你有幫助，麻煩點(diǎn)個(gè)贊，或者轉(zhuǎn)發(fā)給需要的朋友。如果你有問(wèn)題或者不同看法，歡迎在評(píng)論區(qū)交流。我雖然不是專家，但愿意分享經(jīng)驗(yàn)，共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。