工業(yè)應(yīng)用中選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)的各種可用方案和局限性解析

作者：技術(shù)支持工程師，麥瑞公司 （Micrel， Inc.） Vince Stueve

數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸有多種方法。從簡(jiǎn)單的指令和控制方案，如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）和車庫(kù)開門裝置到無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等等。本文旨在介紹各種可用方案及其中存在的必須應(yīng)對(duì)的局限性， 以期為設(shè)計(jì)師提供一些實(shí)用信息，供其在為工業(yè)應(yīng)用選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用。

汽車等設(shè)備上用來(lái)鎖定和打開車門的遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)就是簡(jiǎn)單的指令和控制應(yīng)用的一個(gè)非常典型的例子。在遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）應(yīng)用中，指令通過(guò)遙控鑰匙發(fā)送至汽車信號(hào)接收器。適當(dāng)?shù)亟邮盏街噶詈螅嚰磿?huì)相應(yīng)鎖定或解鎖。

類似汽車中安裝的接收器理論上可以接收任何類似型號(hào)的遙控鑰匙發(fā)送的數(shù)據(jù)包。然而，汽車只能接收專門為其指定的遙控鑰匙發(fā)送的指令。滾動(dòng)碼生成器和安全加密等協(xié)議通常用于從遙控鑰匙將唯一的ID傳輸至汽車。這樣一來(lái)，您的遙控鑰匙就無(wú)法打開您朋友的類似型號(hào)的汽車，反之亦然，從而確保汽車的安全。

對(duì)于汽車遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE），遙控鑰匙操作人員通常會(huì)聽到鎖具被鎖定的聲音。如果沒有聽到“咔嚓”聲，操作員只需再次按下按鈕，從而通過(guò)人機(jī)交互完成遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE） 應(yīng)用中的反饋環(huán)節(jié)。如果沒有聽到汽車解鎖的聲音，就需要再次按下按鈕，直至聽到解鎖聲。

圖1：遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）應(yīng)用

很多工業(yè)應(yīng)用都需要傳輸指令和控制數(shù)據(jù)。從傳感器發(fā)送將溫度指示到主機(jī)就是一個(gè)例子。工業(yè)應(yīng)用和遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（PKE）之間的差異是：工業(yè)應(yīng)用中無(wú)需人員介入判斷是否真正收到了溫度指示。

需要確認(rèn)數(shù)據(jù)的接收意味著存在雙向網(wǎng)絡(luò)。隨著融入更多致動(dòng)器、開關(guān)和電機(jī)需求的出現(xiàn)，系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)立即增加。因此，由于應(yīng)用中需要確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已實(shí)際送達(dá)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常不會(huì)使用簡(jiǎn)單的單向遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)無(wú)線解決方案的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上基本都有一個(gè)微控制器。微控制器會(huì)通過(guò)接口連接至溫度傳感器和致動(dòng)器等實(shí)體設(shè)備，來(lái)讀取或?qū)懭胨鼈兊臄?shù)據(jù)。同時(shí)，微控制器還需負(fù)責(zé)管理射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。協(xié)議的選擇取決于多種因素。選擇最佳解決方案的因素包括：數(shù)據(jù)傳輸范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的復(fù)雜度。

ZigBee最近受到了大量關(guān)注。作為標(biāo)準(zhǔn)解決方案，ZigBee或802.15.4最初被視為許多低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信應(yīng)用的最佳選擇。但是，它真的適用于所有應(yīng)用嗎？當(dāng)然不是。在有些情況下，802.11 WLAN非常適用于高數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸。同樣，有些應(yīng)用需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍和電池壽命。簡(jiǎn)言之，具體架構(gòu)決定著特定應(yīng)用所需的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，如果數(shù)據(jù)傳輸速率增大，系統(tǒng)資源也會(huì)相應(yīng)增多。以802.11 WLAN為例，由于其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信所需的功耗和代碼大小，這些協(xié)議不能用于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用。典型的 802.11 WLAN節(jié)點(diǎn)所需的程序內(nèi)存高達(dá)1MB，還需要功能更強(qiáng)大的處理器來(lái)使單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。

802.11無(wú)線電附加系統(tǒng)處理器的功耗使其非常適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算應(yīng)用和信息回程，但便攜式節(jié)點(diǎn)需要大量功耗和系統(tǒng)資源才能使802.11 WLAN的節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。功耗大、代碼長(zhǎng)且昂貴的802.11 WLAN不適用于溫度、壓力和致動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等任務(wù)。

ZigBee協(xié)議相對(duì)較輕巧，它的代碼空間為32-70KB，數(shù)據(jù)傳輸范圍適中，為10-100米。這些特點(diǎn)讓ZigBee成為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選。ZigBee的一大優(yōu)點(diǎn)是其“網(wǎng)狀”能力。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸；這樣一來(lái)，就算任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或掉線，信息也能順利傳輸至目的地。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包處理非常復(fù)雜，因此，所需的程序內(nèi)存較大。圖2給出了各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)代碼大小。

圖2：各射頻網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)資源

藍(lán)牙是工業(yè)應(yīng)用中常常會(huì)談到的另一種常見方案。快速瀏覽上圖就能發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸范圍較短，代碼較大，再加上藍(lán)牙屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方案，就會(huì)立即判斷出它不適用于工業(yè)射頻應(yīng)用。

那么，專線網(wǎng)絡(luò)如何？專線網(wǎng)絡(luò)指不按特定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。通常采用915MHz ISM頻段（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）和2.4GHz頻段。有時(shí)，315MHz或433MHz的頻段也被用于指令和控制類應(yīng)用。當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)管要求通常會(huì)指定可用的頻率。

在射頻信號(hào)通過(guò)空氣傳輸?shù)倪^(guò)程中，其功率水平會(huì)與已傳輸?shù)木嚯x成反比、與頻率成正比而降低。自由空間路徑損耗公式如下所示，對(duì)應(yīng)的各頻率的路徑損耗與距離的關(guān)系如圖3所示。

圖3

因此，在自由空間內(nèi)傳輸距離達(dá)到 100 米時(shí)，路徑損耗如下：

2.4GHz，80dB

915MHz，72dB（比運(yùn)行頻率為2.4GHz時(shí)路徑損耗小8dB）

433MHz，65dB（比運(yùn)行頻率為2.4GHz時(shí)路徑損耗小15dB）

在射頻系統(tǒng)中，接收到的信號(hào)等于發(fā)射功率加系統(tǒng)天線增益再減去路徑損耗，如下面的公式所示。

如果一個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為 10dBm，系統(tǒng)天線增益為 0，在理想環(huán)境下的自由空間為 100 米，那么，它接收到的信號(hào)強(qiáng)度將為：

2.4GHz，-70dB

915MHz，-62dB

433MHz，-55dB

這表示，運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)接收器的靈敏度至少應(yīng)達(dá)到-70dB，才能在理想的自由空間環(huán)境下檢測(cè)到信號(hào)。

除了自由空間路徑損耗以外，傳輸信號(hào)也會(huì)因建筑物、植被和其它物體而衰減。接收器試圖對(duì)輸入射頻信號(hào)進(jìn)行解碼時(shí)也會(huì)受到多路徑和信號(hào)散射等其它因素的影響。哈他模型 （Hata Model） 等其它路徑損耗考慮了天線高出地面的距離和市區(qū)環(huán)境的影響帶來(lái)的損耗，這些模型能夠更真實(shí)地反映路徑損耗。大多數(shù)應(yīng)用中的實(shí)際路徑損耗值比圖3中給出的路徑損耗值大得多。有趣的是，路徑損耗會(huì)隨著頻率的增大而增大。這就是運(yùn)行頻率為 2.4GHz 的系統(tǒng)比運(yùn)行頻率為915MHz或433MHz 的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍小的原因。

射頻設(shè)計(jì)中常用的經(jīng)驗(yàn)法則是：鏈路預(yù)算增加6 dB會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸距離大致翻一番。利用該經(jīng)驗(yàn)法則就不難看出，運(yùn)行頻率為915MHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離將是運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離的兩倍多。運(yùn)行頻率為433MHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離將是運(yùn)行頻率為915MHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離的一倍。因此，運(yùn)行頻率較低的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

此外，數(shù)據(jù)傳輸速率在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行頻率和調(diào)制類型選擇中也扮演著重要角色。如之前所述，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控和致動(dòng)等應(yīng)用最好應(yīng)采用以低功率運(yùn)行較小的軟件棧的專線網(wǎng)絡(luò)。為預(yù)期應(yīng)用定制數(shù)據(jù)包可大幅簡(jiǎn)化這些專線網(wǎng)絡(luò)。

采用ISM頻段專線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線解決方案的數(shù)據(jù)傳輸范圍或覆蓋范圍通常要比ZigBee、藍(lán)牙或WLAN的數(shù)據(jù)傳輸范圍或覆蓋范圍好很多。除了專線網(wǎng)絡(luò)以低頻率運(yùn)行降低路徑損耗之外，其它因素也可增大專線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸范圍。數(shù)據(jù)包小、數(shù)據(jù)傳輸速率低和能夠發(fā)送多份數(shù)據(jù)副本是專線網(wǎng)絡(luò)通常優(yōu)于基于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的原因。圖4為各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與技術(shù)的對(duì)比。

圖4：各射頻網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與技術(shù)

ZigBee和ISM頻段專線網(wǎng)絡(luò)的功耗更符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)溫度、壓力和致動(dòng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的期望。ZigBee節(jié)點(diǎn)用一對(duì)AA電池可運(yùn)行一年左右，而使用專線ISM頻段協(xié)議的節(jié)點(diǎn)在同樣的電源支持下可輕松將壽命延長(zhǎng)至10年。ISM頻段解決方案的電池壽命較長(zhǎng)的原因是設(shè)計(jì)者能夠選擇數(shù)據(jù)的占空比，從而針對(duì)特定情況定制解決方案。

全球公認(rèn)的ZigBee 802.15.4系統(tǒng)運(yùn)行頻率為2.4GHz，采用DSSS（直接序列擴(kuò)頻，偏移四相相移鍵控）作為調(diào)制方案。ZigBee無(wú)線電設(shè)備還能在美洲地區(qū)以915MHz DSSS運(yùn)行，并在歐洲地區(qū)以868MHz DSSS運(yùn)行；這些頻率的調(diào)制方案為BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）。目前，大部分ZigBee解決方案的運(yùn)行頻率均為2.4GHz。由于2.4GHz頻段在全球范圍內(nèi)被廣泛用于眾多無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和微波爐中，它已變得日益擁擠。不太擁擠的ISM 915、868頻段或433MHz頻段可成為擁擠的2.4GHz無(wú)線解決方案的替代方案，應(yīng)予以考慮。

與915MHz或更低的頻率相比，運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)的天線波長(zhǎng)較短。這就是許多WLAN路由器需要兩根天線（運(yùn)行頻率為5.6GHz的802.11g需要三根天線）的原因。反射和多路徑會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)零位。以915MHz等較低的運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信不會(huì)顯示多路徑和置零，因而只需一根天線就能良好運(yùn)行。運(yùn)行頻率為915MHz或更低的很多應(yīng)用可使用板載帶狀PCB天線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。減少天線數(shù)量有助于降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，也是運(yùn)行頻率超出2.4GHz的網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)選擇成本低、數(shù)據(jù)傳輸范圍長(zhǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)原因。

那么，ISM頻段內(nèi)可用的其它方案有哪些？ 這些年來(lái)，工程師們創(chuàng)造出了采用OOK（開關(guān)鍵控）、ASK（振幅鍵控）和FSK（頻移鍵控）調(diào)制方案的專線射頻網(wǎng)絡(luò)。很多時(shí)候，這些網(wǎng)絡(luò)具有工程師不容忽視的優(yōu)點(diǎn)。麥瑞目前提供頻段為310MHz到950MHz的收發(fā)器，可在ISM頻段內(nèi)執(zhí)行遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（PKE）和雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜的地方是微處理器使用的軟件棧。這最后一部分的設(shè)計(jì)會(huì)讓許多射頻設(shè)計(jì)超出標(biāo)準(zhǔn)。

麥瑞已利用MICRF505 FSK收發(fā)器芯片使通用型C源代碼成為了用于調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）的FCC 15.247兼容式協(xié)議。 該軟件名為MicrelNet，調(diào)制方案采用FHSS，帶寬為250KHz，跳頻為25。MICRF505芯片配備板載功率放大器 （PA），無(wú)需外部傳送/接收開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)-3dBm到+10dBm的信號(hào)強(qiáng)度至天線的傳輸。使用設(shè)置為10dBm的MICRF505的板載功率放大器，在200米以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率即可輕松達(dá)到9.6Kbps。

圖5給出了FHSS系統(tǒng)中的各載波頻率。所有節(jié)點(diǎn)均同步運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)跳頻。如有頻率出現(xiàn)故障或被占用，系統(tǒng)將跳至下一頻率獲取信息。軟件棧最終負(fù)責(zé)重組節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的數(shù)據(jù)包。可根據(jù)MicrelNet中的IP地址方案輕松識(shí)別數(shù)據(jù)包的源地址和目標(biāo)地址類型格式。軟件CRC用于確保數(shù)據(jù)傳輸安全。

圖5：跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）

FCC 15.247可使FHSS無(wú)線電設(shè)備以915MHz的頻率運(yùn)行時(shí)輸出功率達(dá)到250mW，相當(dāng)于以24dBm的信號(hào)強(qiáng)度傳輸至電阻為50ohm的天線內(nèi)。如果再配備外部功率放大器和傳送/接收開關(guān)，MICRF505收發(fā)器的芯片功率可達(dá)250mW。在視線應(yīng)用中，當(dāng)輸出功率為250mW時(shí)，MICRF505的覆蓋范圍可達(dá)2公里，數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到10Kbps左右。

MicrelNet代碼?？墒褂?位微處理器以8KByte的速度運(yùn)行。現(xiàn)在新增了許多工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有的由每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的小型低功率微處理器控制的RS232型網(wǎng)絡(luò)。由于小型低功率微處理器的閃存大小有限，往往不能選擇添加大段代碼。MicreNet的代碼為8Kbyte，比相應(yīng)的802.11 WLAN（1MByte）或ZigBee（32K–70KByte） 的要小得多。

MicrelNet在樹狀網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)能夠與從屬節(jié)點(diǎn)達(dá)65，000的網(wǎng)絡(luò)中的其它主機(jī)通信。這與ZigBee類似，但ZigBee屬于在任何節(jié)點(diǎn)間均可實(shí)現(xiàn)相互通信的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)適用于MICRF505，但需要額外的軟件資源，類似于為部署ZigBee所討論的資源。圖6展示了各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

圖6：多種網(wǎng)絡(luò)示例

在無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，哪種類型的網(wǎng)絡(luò)能夠取勝最終取決于其具體應(yīng)用和環(huán)境。頻率、協(xié)議和功耗均會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?、系統(tǒng)資源和解決方案的最終成本，因此，它們是決策過(guò)程中的關(guān)鍵元素。

802.11、ZigBee等協(xié)議和專線方案（如 MicrelNet）均可共存。圖6所示“網(wǎng)關(guān)控制器”能夠使各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在所有網(wǎng)絡(luò)中最常見的網(wǎng)絡(luò)——10/100銅纜以太網(wǎng)——中通信。這種網(wǎng)關(guān)控制器的其中一種已完成裝配并已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。

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