自動(dòng)化系統(tǒng)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)介紹

自動(dòng)化領(lǐng)域正在從有線連接過渡到無線連接。系統(tǒng)的無線控制是物聯(lián)網(wǎng)（IOT）世界的重要組成部分。這種自動(dòng)化和連接性是IP地址擴(kuò)展到IPv6的基礎(chǔ)，因此所有內(nèi)容都可以獨(dú)立連接到網(wǎng)絡(luò)。自動(dòng)化系統(tǒng)具有許多不同的無線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備可以與之通信。關(guān)鍵是要了解什么類型的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)將要傳輸?shù)臄?shù)量，以及數(shù)據(jù)需要多快和可用的速度。

通信分區(qū)

對(duì)于所有自動(dòng)化系統(tǒng)，無論是單個(gè)功能還是通過中央處理器或FPGA處理多個(gè)功能的系統(tǒng)，外部通信都需要分區(qū)方案。通信功能與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存管理和標(biāo)準(zhǔn)I/O分開。分離是由于通信是結(jié)構(gòu)化同步事件，而大多數(shù)自動(dòng)化I/O源自控制反饋環(huán)路并且通常是異步的。使用的塊是處理數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和協(xié)議的傳統(tǒng)數(shù)字MCU部分; DAC和ADC，用于在數(shù)字和模擬形式之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以便通過天線系統(tǒng)發(fā)送;以及用于驅(qū)動(dòng)天線系統(tǒng)的RF收發(fā)器。

邊界和內(nèi)部/外部組件因供應(yīng)商而異。主要分區(qū)約束之一取決于無線協(xié)議的選擇。從歷史上看，433 MHz ISM頻段（車庫門開啟器等）和較低頻率（13.3 MHz，27.2 MHz）的專用RF使用了專有協(xié)議。為了與傳統(tǒng)項(xiàng)目兼容，這些RF接口仍可從Linx Technologies的Digi-Key（搜索“RF接收器，發(fā)送器和收發(fā)器完成單元”）獲得，作為發(fā)送器（參見圖1）和接收器模塊。這些系統(tǒng)利用低數(shù)據(jù)速率（低于19 kbps）和低數(shù)據(jù)量。

圖1：Linx Technology無線“密鑰卡”發(fā)送器。 （由Linx Technologies提供）

大多數(shù)新的無線系統(tǒng)都有許多高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)可供選擇，其中傳遞的數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)決定了協(xié)議的選擇。 Digi-Key提供的主要選擇包括Zigbee?（IEEE 802.15.4），Bluetooth?（Bluetooth SIG支持），Wi-Fi（IEEE 802.11 a/b/g/n）和蜂窩（CDMA，HSDPA，GSM，EDGE，GPRS）。蜂窩系統(tǒng)主要用于M2M（機(jī)器到機(jī)器）網(wǎng)絡(luò)。

這些產(chǎn)品支持的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基于數(shù)字分組數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)有系統(tǒng)的很大比例，如報(bào)警/安全系統(tǒng)，自動(dòng)柜員機(jī)，信息亭，POS終端和工業(yè)自動(dòng)化，都是為模擬電話通信而設(shè)計(jì)的。隨著陸地線路的可用性萎縮以及對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果的需求不斷增長(zhǎng)，這些系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)向無線。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分區(qū)很簡(jiǎn)單，因?yàn)槟M調(diào)制解調(diào)器接口系統(tǒng)有外部改造，無論是獨(dú)立還是嵌入式。圖2顯示了Multi-Tech Systems，Inc。的Multiconnect?AW模擬到無線轉(zhuǎn)換器。該外部轉(zhuǎn)換器通過RJ11連接與模擬調(diào)制解調(diào)器連接，支持多個(gè)RS232連接，并集成了嵌入式閃存。閃存允許現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)和修改調(diào)制解調(diào)器和蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接。該解決方案保留了系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)計(jì)分區(qū)，并且僅需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的無線方面進(jìn)行鑒定。

圖2：Multi-Tech MultiConnect AW模擬到無線套件。 （由Multi-Tech Systems，Inc。提供）

數(shù)據(jù)接口和應(yīng)用程序

自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口正在不斷發(fā)展。歷史上，系統(tǒng)通過時(shí)間戳作為信息集傳遞簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤代碼和狀態(tài)代碼。這些代碼將轉(zhuǎn)到另一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有代碼之間的轉(zhuǎn)換表和代碼的解釋。這允許自動(dòng)化系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)之間的“最輕”的電線連接。通過無線通信，大大降低了自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量，物理接近度和物流成本，從而允許更改正在發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型。

新設(shè)計(jì)解決無線網(wǎng)絡(luò)的最簡(jiǎn)單方法是通過串行端口連接到完成的無線電子系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)串行端口（RS232）和USB有許多選擇。這允許現(xiàn)有的架構(gòu)系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)有線連接提供數(shù)據(jù)，狀態(tài)和M2M連接，以保持不變。外部無線電套件可以簡(jiǎn)單地連接到端口，套件可以處理IP握手，數(shù)據(jù)格式化和模擬子系統(tǒng)功能。

藍(lán)牙是一種流行的短距離雙設(shè)備連接協(xié)議。雖然它主要被稱為手機(jī)耳機(jī)的協(xié)議，但通信規(guī)范實(shí)際上支持通用數(shù)據(jù)應(yīng)用。該系統(tǒng)對(duì)于與短距離接收器和/或移動(dòng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)的通信特別有用，用于跟蹤自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài)。藍(lán)牙支持兩類 - 當(dāng)前規(guī)格下的Class 1最多可達(dá)30米，Class 2最高可達(dá)10米。當(dāng)前版本2.x規(guī)范支持高達(dá)2.1 Mbps的短突發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率為幾百kbps。這些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集通常在字節(jié)到千字節(jié)范圍內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)往往在2％的功能工作循環(huán)下運(yùn)行。完成的USB子系統(tǒng)的示例是Laird Technologies的BRBLU03-010AC和Roving Networks的RN-270M USB藍(lán)牙2.0適配器（參見圖3）。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)U展范圍和信號(hào)聚合應(yīng)用的收發(fā)器和接入點(diǎn)。

圖3：Roving Networks藍(lán)牙收發(fā)器。 （由Roving Networks提供）

如果需要多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，Zigbee環(huán)境支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，允許通過相鄰設(shè)備（在3D空間，多層設(shè)施以及同一樓層）將數(shù)據(jù)中繼回中央網(wǎng)絡(luò)核心。該網(wǎng)絡(luò)支持WPAN適配器，接入點(diǎn)和模塊，開發(fā)人員套件，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器，傳感器和網(wǎng)關(guān)。典型應(yīng)用如圖4所示，其中安裝了Digi XBee?/XBee-Pro?環(huán)境。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)以250 kbps的數(shù)據(jù)速率支持長(zhǎng)達(dá)1英里的無線距離。該網(wǎng)絡(luò)支持高占空比流量，包括狀態(tài)，ID和錯(cuò)誤代碼，以及收集指標(biāo)和環(huán)境傳感器的結(jié)果。該協(xié)議支持在網(wǎng)狀網(wǎng)上同時(shí)通話的多個(gè)設(shè)備以及多個(gè)接口 - RS-232，RS-485，全雙工和半雙工RS-422以及USB。

圖4：Digi XBee-Pro ZB適配器使用配置。 （由Digi International提供）

家庭和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)連接選項(xiàng)是銅纜以太網(wǎng)或EtherCAT。它們具有明確定義的高速數(shù)據(jù)端口，通常通過RJ45連接器連接，并在高占空比（超過60％）下以1 Mbps至600 Mbps的數(shù)據(jù)范圍運(yùn)行。因此，將這些轉(zhuǎn)換為Wi-Fi（基于802.11的連接）非常簡(jiǎn)單，通常不會(huì)影響性能。這些網(wǎng)絡(luò)可以支持中距離，標(biāo)稱70米室內(nèi)/250米室外;在美國(guó)的特殊FCC許可下，您可以在3.6 GHz高功率下運(yùn)行802.11a，最長(zhǎng)可達(dá)5000米。協(xié)議的a/b/g版本僅支持一個(gè)天線和一個(gè)用于數(shù)據(jù)流的收發(fā)器。這些支持1 Mbps至54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。 802.11n版本的協(xié)議支持多達(dá)四個(gè)同步輸入/輸出（MIMO），每個(gè)數(shù)據(jù)流最高可達(dá)150 Mbps。

與Zigbee系統(tǒng)一樣，這些Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)包括收發(fā)器，網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)橋，接入點(diǎn)，擴(kuò)展器和開發(fā)套件。完整的改造解決方案，如Qualtech Airborne工業(yè)無線以太網(wǎng)解決方案型號(hào)ABDG-ET-IN5010，可提供RJ45接口或RS232串行接口，用于802.11b/g網(wǎng)絡(luò)。這些裝置目前可用于802.11a/b/g的單天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。未來幾年將有更新的設(shè)計(jì)可用于支持802.11n的MIMO環(huán)境。

由于這些選項(xiàng)代表了對(duì)當(dāng)前有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改進(jìn)，因此系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是無線配置的管理。這些系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程升級(jí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問控制，配置和數(shù)據(jù)記錄。 Qualtech等產(chǎn)品為企業(yè)方提供了一個(gè)通用的管理軟件平臺(tái)，可以控制其產(chǎn)品系列，與自動(dòng)化側(cè)連接（有線，RJ45，RS232，USB或其他引腳排列）無關(guān)。它們通常是基于Windows的系統(tǒng)，如機(jī)載管理中心（AMC），如圖5所示，其GUI可以具有較短的學(xué)習(xí)曲線。

圖5：Qualtech空降管理中心。 （由Qualtech Systems，Inc。提供）

嵌入式無線選項(xiàng)

對(duì)于具有空間和功率限制的新設(shè)計(jì)，外部子系統(tǒng)不是一個(gè)實(shí)用的解決方案。在這種情況下，建議使用DAC到前端模塊（FEM）或mux/PA/濾波器的數(shù)字接口。這將通過匹配的，面向相反的設(shè)置處理系統(tǒng)的發(fā)送側(cè)，該設(shè)置將進(jìn)入接收側(cè)所需的ADC。公共天線用于接收器和發(fā)射器對(duì)。

前端模塊的復(fù)雜程度取決于要處理的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)的數(shù)量。它們可以是簡(jiǎn)單的單向輸出，這需要兩個(gè)部分才能完成連接。一個(gè)例子是Microchip的SST12LF02 FEM（見圖6），它只是一個(gè)LNA/PA，一個(gè)濾波器和一個(gè)開關(guān)。該交換機(jī)支持到天線的側(cè)旁路通道，以便在與2.4 GHz LNA相同的頻段上實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接。

圖6：SST12LF02 FEM框圖。 （由Microchip Technology提供）

下一步是單波段2.4 GHz 802.11b/g/n和BT收發(fā)器模塊，如SiGe半導(dǎo)體/Skyworks解決方案部件號(hào)SE2613T（見圖7），它具有功率檢測(cè)器，諧波濾波器，開關(guān)/多路復(fù)用器，LNA，PA以及相關(guān)的通道/設(shè)備匹配。

圖7：Skyworks Solutions單頻帶FEM框圖。 （由Skyworks Solutions，Inc。提供）

高端有限元法一直到Skyplex Solutions SE2595L等多波段MIMO兼容（802.11n雙頻段）模塊（見圖8）。這些模塊包含一個(gè)發(fā)送和一個(gè)接收路徑架構(gòu)，用作MIMO構(gòu)建塊，所有RF端口匹配50歐姆。它們包括集成的2.4/5 GHz PA，2.4/5 GHz LNA，TX濾波器，T/R開關(guān)和雙工器，以及集成功率檢測(cè)器，所有這些都在3.3伏的單電源電壓下工作。

圖8：Skyworks多頻段MIMO FEM框圖。 （由Skyworks Solutions，Inc。提供）

安全

無線系統(tǒng)最近關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是數(shù)據(jù)和訪問安全性。一旦只是IT世界和業(yè)務(wù)通信的領(lǐng)域，Stuxnet攻擊的幽靈就會(huì)使所有基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)在任何有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地方都需要數(shù)據(jù)安全性。信息不是唯一有價(jià)值的東西，因?yàn)槟軌蚱茐幕蚋淖儤I(yè)務(wù)和制造流程具有明確的市場(chǎng)價(jià)值并且更難以追蹤。由于大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)人員只熟悉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的IP保護(hù)，因此Digi國(guó)際嵌入式無線安全產(chǎn)品培訓(xùn)模塊是嵌入式應(yīng)用無線安全的入門模塊，可在Digi-Key網(wǎng)站上獲得。

為了幫助嵌入式應(yīng)用解決M2M通信中的安全問題，可以使用可集成的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，如Qualtech WLNG-XX-DP551系列 - 堅(jiān)固耐用，安全，高可靠性的Wi-Fi模塊。該系統(tǒng)不僅具有完整的軟件支持，還具有SPI，以太網(wǎng)，GPIO，UART和802.11網(wǎng)絡(luò)的可配置接口。這些是對(duì)單個(gè)OEM板級(jí)組件中的完整RF，網(wǎng)絡(luò)堆棧和安全/密鑰處理的補(bǔ)充。圖9顯示了具有ARM9?處理器，本地存儲(chǔ)器，電源管理，以太網(wǎng)PHY和完整802.11 b/g無線電的模塊架構(gòu)。

圖9：Qualtech Airborne嵌入式無線設(shè)備服務(wù)器（由Qualtech Systems，Inc。提供）