工業(yè)應用中選擇無線網絡時的各種可用方案和局限性解析

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

數據的無線傳輸有多種方法。從簡單的指令和控制方案，如遙控無鑰匙進入（RKE）和車庫開門裝置到無線局域網（WLAN）等等。本文旨在介紹各種可用方案及其中存在的必須應對的局限性， 以期為設計師提供一些實用信息，供其在為工業(yè)應用選擇無線網絡時使用。

汽車等設備上用來鎖定和打開車門的遙控無鑰匙進入（RKE）系統(tǒng)就是簡單的指令和控制應用的一個非常典型的例子。在遙控無鑰匙進入（RKE）應用中，指令通過遙控鑰匙發(fā)送至汽車信號接收器。適當地接收到指令后，汽車即會相應鎖定或解鎖。

類似汽車中安裝的接收器理論上可以接收任何類似型號的遙控鑰匙發(fā)送的數據包。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，您的遙控鑰匙就無法打開您朋友的類似型號的汽車，反之亦然，從而確保汽車的安全。

對于汽車遙控無鑰匙進入（RKE），遙控鑰匙操作人員通常會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，從而通過人機交互完成遙控無鑰匙進入 （RKE） 應用中的反饋環(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：遙控無鑰匙進入（RKE）應用

很多工業(yè)應用都需要傳輸指令和控制數據。從傳感器發(fā)送將溫度指示到主機就是一個例子。工業(yè)應用和遙控無鑰匙進入（PKE）之間的差異是：工業(yè)應用中無需人員介入判斷是否真正收到了溫度指示。

需要確認數據的接收意味著存在雙向網絡。隨著融入更多致動器、開關和電機需求的出現(xiàn)，系統(tǒng)的復雜度會立即增加。因此，由于應用中需要確認數據是否已實際送達，工業(yè)網絡通常不會使用簡單的單向遙控無鑰匙進入（RKE）網絡。

工業(yè)無線解決方案的每個節(jié)點上基本都有一個微控制器。微控制器會通過接口連接至溫度傳感器和致動器等實體設備，來讀取或寫入它們的數據。同時，微控制器還需負責管理射頻網絡協(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：數據傳輸范圍、數據傳輸速率、功耗和網絡協(xié)議棧的復雜度。

ZigBee最近受到了大量關注。作為標準解決方案，ZigBee或802.15.4最初被視為許多低功耗、低數據傳輸速率無線通信應用的最佳選擇。但是，它真的適用于所有應用嗎？當然不是。在有些情況下，802.11 WLAN非常適用于高數據傳輸速率的數據傳輸。同樣，有些應用需要更長的數據傳輸范圍和電池壽命。簡言之，具體架構決定著特定應用所需的無線網絡類型。

在無線網絡中，如果數據傳輸速率增大，系統(tǒng)資源也會相應增多。以802.11 WLAN為例，由于其實現(xiàn)網絡通信所需的功耗和代碼大小，這些協(xié)議不能用于大多數嵌入式應用。典型的 802.11 WLAN節(jié)點所需的程序內存高達1MB，還需要功能更強大的處理器來使單節(jié)點正常運行。

802.11無線電附加系統(tǒng)處理器的功耗使其非常適用于工業(yè)網絡中的計算應用和信息回程，但便攜式節(jié)點需要大量功耗和系統(tǒng)資源才能使802.11 WLAN的節(jié)點正常運行。功耗大、代碼長且昂貴的802.11 WLAN不適用于溫度、壓力和致動的遠程監(jiān)控等任務。

ZigBee協(xié)議相對較輕巧，它的代碼空間為32-70KB，數據傳輸范圍適中，為10-100米。這些特點讓ZigBee成為了工業(yè)網絡的首選。ZigBee的一大優(yōu)點是其“網狀”能力。網狀網絡允許節(jié)點間的信息傳輸；這樣一來，就算任何節(jié)點出現(xiàn)故障或掉線，信息也能順利傳輸至目的地。網狀網絡的數據包處理非常復雜，因此，所需的程序內存較大。圖2給出了各無線網絡的相應代碼大小。

圖2：各射頻網絡所需的系統(tǒng)資源

藍牙是工業(yè)應用中常常會談到的另一種常見方案?？焖贋g覽上圖就能發(fā)現(xiàn)，藍牙的數據傳輸范圍較短，代碼較大，再加上藍牙屬于點對點通信方案，就會立即判斷出它不適用于工業(yè)射頻應用。

那么，專線網絡如何？專線網絡指不按特定標準運行的網絡。通常采用915MHz ISM頻段（工業(yè)、科學和醫(yī)療）和2.4GHz頻段。有時，315MHz或433MHz的頻段也被用于指令和控制類應用。當地的監(jiān)管要求通常會指定可用的頻率。

在射頻信號通過空氣傳輸的過程中，其功率水平會與已傳輸的距離成反比、與頻率成正比而降低。自由空間路徑損耗公式如下所示，對應的各頻率的路徑損耗與距離的關系如圖3所示。

圖3

因此，在自由空間內傳輸距離達到 100 米時，路徑損耗如下：

2.4GHz，80dB

915MHz，72dB（比運行頻率為2.4GHz時路徑損耗小8dB）

433MHz，65dB（比運行頻率為2.4GHz時路徑損耗小15dB）

在射頻系統(tǒng)中，接收到的信號等于發(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，它接收到的信號強度將為：

2.4GHz，-70dB

915MHz，-62dB

433MHz，-55dB

這表示，運行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)接收器的靈敏度至少應達到-70dB，才能在理想的自由空間環(huán)境下檢測到信號。

除了自由空間路徑損耗以外，傳輸信號也會因建筑物、植被和其它物體而衰減。接收器試圖對輸入射頻信號進行解碼時也會受到多路徑和信號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)境的影響帶來的損耗，這些模型能夠更真實地反映路徑損耗。大多數應用中的實際路徑損耗值比圖3中給出的路徑損耗值大得多。有趣的是，路徑損耗會隨著頻率的增大而增大。這就是運行頻率為 2.4GHz 的系統(tǒng)比運行頻率為915MHz或433MHz 的系統(tǒng)的數據傳輸范圍小的原因。

射頻設計中常用的經驗法則是：鏈路預算增加6 dB會使數據傳輸距離大致翻一番。利用該經驗法則就不難看出，運行頻率為915MHz的系統(tǒng)的數據傳輸距離將是運行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)的數據傳輸距離的兩倍多。運行頻率為433MHz的系統(tǒng)的數據傳輸距離將是運行頻率為915MHz的系統(tǒng)的數據傳輸距離的一倍。因此，運行頻率較低的系統(tǒng)可實現(xiàn)較長距離的數據傳輸。

此外，數據傳輸速率在工業(yè)網絡的運行頻率和調制類型選擇中也扮演著重要角色。如之前所述，遠程溫度監(jiān)控和致動等應用最好應采用以低功率運行較小的軟件棧的專線網絡。為預期應用定制數據包可大幅簡化這些專線網絡。

采用ISM頻段專線網絡的無線解決方案的數據傳輸范圍或覆蓋范圍通常要比ZigBee、藍牙或WLAN的數據傳輸范圍或覆蓋范圍好很多。除了專線網絡以低頻率運行降低路徑損耗之外，其它因素也可增大專線網絡的數據傳輸范圍。數據包小、數據傳輸速率低和能夠發(fā)送多份數據副本是專線網絡通常優(yōu)于基于標準網絡的原因。圖4為各無線網絡的覆蓋范圍與技術的對比。

圖4：各射頻網絡的覆蓋范圍與技術

ZigBee和ISM頻段專線網絡的功耗更符合工業(yè)網絡中對溫度、壓力和致動數據的遠程監(jiān)控的期望。ZigBee節(jié)點用一對AA電池可運行一年左右，而使用專線ISM頻段協(xié)議的節(jié)點在同樣的電源支持下可輕松將壽命延長至10年。ISM頻段解決方案的電池壽命較長的原因是設計者能夠選擇數據的占空比，從而針對特定情況定制解決方案。

全球公認的ZigBee 802.15.4系統(tǒng)運行頻率為2.4GHz，采用DSSS（直接序列擴頻，偏移四相相移鍵控）作為調制方案。ZigBee無線電設備還能在美洲地區(qū)以915MHz DSSS運行，并在歐洲地區(qū)以868MHz DSSS運行；這些頻率的調制方案為BPSK（二進制相移鍵控）。目前，大部分ZigBee解決方案的運行頻率均為2.4GHz。由于2.4GHz頻段在全球范圍內被廣泛用于眾多無線標準和微波爐中，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無線解決方案的替代方案，應予以考慮。

與915MHz或更低的頻率相比，運行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)的天線波長較短。這就是許多WLAN路由器需要兩根天線（運行頻率為5.6GHz的802.11g需要三根天線）的原因。反射和多路徑會導致運行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)在數據傳輸過程中出現(xiàn)零位。以915MHz等較低的運行頻率實現(xiàn)網絡通信不會顯示多路徑和置零，因而只需一根天線就能良好運行。運行頻率為915MHz或更低的很多應用可使用板載帶狀PCB天線實現(xiàn)網絡通信。減少天線數量有助于降低整個系統(tǒng)的成本，也是運行頻率超出2.4GHz的網絡通常會選擇成本低、數據傳輸范圍長的工業(yè)網絡的另一個原因。

那么，ISM頻段內可用的其它方案有哪些？ 這些年來，工程師們創(chuàng)造出了采用OOK（開關鍵控）、ASK（振幅鍵控）和FSK（頻移鍵控）調制方案的專線射頻網絡。很多時候，這些網絡具有工程師不容忽視的優(yōu)點。麥瑞目前提供頻段為310MHz到950MHz的收發(fā)器，可在ISM頻段內執(zhí)行遙控無鑰匙進入（PKE）和雙向無線網絡協(xié)議。無線網絡最復雜的地方是微處理器使用的軟件棧。這最后一部分的設計會讓許多射頻設計超出標準。

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頻擴頻技術（FHSS）的FCC 15.247兼容式協(xié)議。 該軟件名為MicrelNet，調制方案采用FHSS，帶寬為250KHz，跳頻為25。MICRF505芯片配備板載功率放大器 （PA），無需外部傳送/接收開關即可實現(xiàn)-3dBm到+10dBm的信號強度至天線的傳輸。使用設置為10dBm的MICRF505的板載功率放大器，在200米以內，數據傳輸速率即可輕松達到9.6Kbps。

圖5給出了FHSS系統(tǒng)中的各載波頻率。所有節(jié)點均同步運行，以實現(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。軟件棧最終負責重組節(jié)點間發(fā)送的數據包?？筛鶕﨧icrelNet中的IP地址方案輕松識別數據包的源地址和目標地址類型格式。軟件CRC用于確保數據傳輸安全。

圖5：跳頻擴頻技術（FHSS）

FCC 15.247可使FHSS無線電設備以915MHz的頻率運行時輸出功率達到250mW，相當于以24dBm的信號強度傳輸至電阻為50ohm的天線內。如果再配備外部功率放大器和傳送/接收開關，MICRF505收發(fā)器的芯片功率可達250mW。在視線應用中，當輸出功率為250mW時，MICRF505的覆蓋范圍可達2公里，數據傳輸速率將達到10Kbps左右。

MicrelNet代碼?？墒褂?位微處理器以8KByte的速度運行。現(xiàn)在新增了許多工業(yè)無線網絡，來增強現(xiàn)有的由每個節(jié)點上的小型低功率微處理器控制的RS232型網絡。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，比相應的802.11 WLAN（1MByte）或ZigBee（32K–70KByte） 的要小得多。

MicrelNet在樹狀網絡中運行，網絡主機能夠與從屬節(jié)點達65，000的網絡中的其它主機通信。這與ZigBee類似，但ZigBee屬于在任何節(jié)點間均可實現(xiàn)相互通信的網狀網絡。網狀網絡適用于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展示了各種無線網絡的拓撲結構及其支持的節(jié)點數量。

圖6：多種網絡示例

在無線工業(yè)網絡中，哪種類型的網絡能夠取勝最終取決于其具體應用和環(huán)境。頻率、協(xié)議和功耗均會影響數據傳輸的范圍、系統(tǒng)資源和解決方案的最終成本，因此，它們是決策過程中的關鍵元素。

802.11、ZigBee等協(xié)議和專線方案（如 MicrelNet）均可共存。圖6所示“網關控制器”能夠使各種無線網絡在所有網絡中最常見的網絡——10/100銅纜以太網——中通信。這種網關控制器的其中一種已完成裝配并已經過驗證。

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