工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議介紹

低功耗正在成為工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和實(shí)施中越來(lái)越重要的因素，并且有新的協(xié)議可用于幫助降低功耗和成本。

盡管人們認(rèn)為功耗不是工業(yè)自動(dòng)化中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題，但由于幾個(gè)原因，低功耗設(shè)計(jì)在過(guò)去幾年中變得非常重要。首先是電力的明顯成本。遠(yuǎn)程控制更多系統(tǒng)，因此控制器和無(wú)線系統(tǒng)的功耗增加。這相當(dāng)于全世界數(shù)百萬(wàn)美元，削減這項(xiàng)法案是石油價(jià)格如此之高的關(guān)鍵焦點(diǎn)。許多工業(yè)用戶的關(guān)稅依賴于電力的可用性，并且可以在需求增加時(shí)減少供應(yīng)，使得能夠以更低的功率運(yùn)行。

無(wú)線技術(shù)可以通過(guò)多種方式降低功耗。通過(guò)低功耗芯片，適當(dāng)?shù)膮f(xié)議和功耗感知軟件降低無(wú)線收發(fā)器的功耗可以幫助降低直接成本。此外，無(wú)線控制器還可以在工廠車間周圍使用，以控制加熱，照明和高壓空調(diào)的水平，具體取決于當(dāng)時(shí)的活動(dòng)和人員配備水平。這可以大大降低設(shè)施的總體直接功耗。

還有其他驅(qū)動(dòng)器可以降低功耗。設(shè)計(jì)和制造收發(fā)器芯片的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在將無(wú)線設(shè)備和模塊帶入能量收集的能力范圍內(nèi)。這意味著從環(huán)境中清除的功率 - 通常來(lái)自振動(dòng)或工廠車間的溫度 - 可用于為傳感器和無(wú)線鏈路供電，而無(wú)需定期更換電池。這樣，如果傳感器需要更換電纜或更換電池，則可以將傳感器放置在以前無(wú)法訪問(wèn)的大量位置。這樣可以在故障導(dǎo)致生產(chǎn)線停止之前對(duì)設(shè)備進(jìn)行更密切的監(jiān)控，修復(fù)或更換。無(wú)線傳感器的使用也為工業(yè)客戶帶來(lái)了直接的成本節(jié)約。但是，在降低無(wú)線系統(tǒng)功耗時(shí)，要通過(guò)降低收發(fā)器功率或使用固有的低功耗拓?fù)洌ㄈ缇W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）來(lái)解決問(wèn)題。根據(jù)數(shù)據(jù)速率，延遲和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離，還可以使用幾種不同的協(xié)議。

還有多種頻率可供選擇，每種頻率都有自己的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

越來(lái)越受歡迎的范圍是未經(jīng)許可的2.4 GHz，從藍(lán)牙到Wi-Fi到Zigbee有許多不同的方法。標(biāo)準(zhǔn)組織正在開發(fā)這些技術(shù)的低功率版本，但是頻帶本身比其他更低頻率本身更耗電。

由于該頻率可在全球范圍內(nèi)使用并用于廣泛的消費(fèi)者和企業(yè)應(yīng)用，因此收發(fā)器可從低成本的規(guī)模經(jīng)濟(jì)中受益，系統(tǒng)集成商可提供多種設(shè)備和模塊供您選擇。然而，這是一個(gè)擁擠的頻譜帶，對(duì)來(lái)自同一消費(fèi)者和企業(yè)系統(tǒng)以及微波和其他發(fā)射的干擾很敏感。許多協(xié)議沒(méi)有針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，使用最佳情況算法，并且如果由于干擾必須不斷重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，也會(huì)增加功耗。

其他無(wú)線協(xié)議是通過(guò)專有方法或現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的。例如，Cyan Technology開發(fā)了自己的CyNet網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，用于875 MHz頻段的超低功率鏈路，而Hart已經(jīng)將其用于WirelessHART的HARTbus協(xié)議擴(kuò)展到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的鏈路設(shè)備。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有低功耗的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，但在數(shù)據(jù)吞吐量和延遲方面存在其他問(wèn)題。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到消息到達(dá)其目的地。這意味著功率因此尺寸要求低得多，因?yàn)槭瞻l(fā)器只需要到達(dá)其最近的鄰居。但是，數(shù)據(jù)可能必須跳幾次才能到達(dá)目的地，從而增加延遲。每個(gè)節(jié)點(diǎn)還必須處理兩組數(shù)據(jù)流量，將可用帶寬減半。這可以通過(guò)來(lái)自傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備的小數(shù)據(jù)包來(lái)補(bǔ)償。這通常不是問(wèn)題，但延遲效應(yīng)是。 WirelessHART使用2.4 GHz頻段為仍然使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供更高的吞吐量和所需的延遲，以保持低功耗和節(jié)點(diǎn)成本。

圖1：WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

SP100.11a使用與WirelessHART相同的協(xié)議，但它是一種開放標(biāo)準(zhǔn)，支持多種協(xié)議，包括單個(gè)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施上的Profibus。它旨在支持工廠自動(dòng)化應(yīng)用程序的性能級(jí)別，而不僅僅是過(guò)程控制，并且是ANSI標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 GHz ISM

Atmel的AT86RF230-ZU是專為802.15.4和Zigbee設(shè)計(jì)的CMOS 2.4 GHz收發(fā)器，以及WirelessHART和SP100.11a協(xié)議。由于它工作在2.4 GHz空間，因此它也可用于使用6LoWPAN協(xié)議的系統(tǒng)（見下文）。

圖2：Atmel的AT86RF230 2.4 GHz收發(fā)器支持Zigbee，WirelessHART，SP100.11a和6LoWPAN。

AT86RF230是一種真正的SPI到天線設(shè)計(jì)，除了片上集成的天線，晶體和去耦電容外，還有所有RF關(guān)鍵元件，可與Atmel的AVR系列等外部微控制器配合使用。它集成了模擬無(wú)線電收發(fā)器和數(shù)字解調(diào)，包括時(shí)間和頻率同步和數(shù)據(jù)緩沖，只需要一個(gè)天線，一個(gè)晶體和四個(gè)去耦電容。雙向差分天線引腳用于發(fā)送和接收，因此不需要外部天線開關(guān)。

接收到的RF信號(hào)通過(guò)差分線路通過(guò)低噪聲放大器（LNA）饋送到RF濾波器（PPF），以產(chǎn)生復(fù)雜信號(hào)。該信號(hào)由混頻器向下轉(zhuǎn)換為中頻，并饋送到集成通道濾波器。限幅放大器提供足夠的增益來(lái)驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）并產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，然后由數(shù)字基帶接收器采樣。

對(duì)于傳輸，器件使用在數(shù)字發(fā)送器中生成的偏移-QPSK（O-QPSK）調(diào)制，然后饋送到功率放大器，而內(nèi)部128字節(jié)RAM緩沖要發(fā)送的數(shù)據(jù)或接收的數(shù)據(jù)。這種組合提供-17 dBm至3 dBm的可編程輸出功率，接收靈敏度為-101 dBm，鏈路預(yù)算為104 dB。

Zigbee

德州儀器（TI）用于Zigbee的CC2531低功耗SoC是一款支持USB的真正片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，適用于IEEE 802.15.4和Zigbee應(yīng)用，如工業(yè)控制。憑借內(nèi)置的無(wú)晶體USB接口，它可以構(gòu)建USB加密狗或USB可升級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，總成本低。 CC2531將Chipcon的RF收發(fā)器的性能與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型32 MHz 8051微控制器，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8 KB RAM相結(jié)合。對(duì)于需要超低功耗的系統(tǒng)，它還具有各種操作模式，并且操作模式之間的短轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)一步確保了低能耗。

圖3：CC2531 Zigbee集成收發(fā)器USB SoC。

藍(lán)牙

藍(lán)牙現(xiàn)在也正在成為工業(yè)自動(dòng)化的可行技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)的最新版本Bluetooth v4.0向核心規(guī)范引入了低能耗技術(shù)，使新設(shè)備能夠在微型紐扣電池上運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。

隨著這項(xiàng)技術(shù)被多家供應(yīng)商的安全和消費(fèi)者應(yīng)用所采用，成本在工業(yè)應(yīng)用中變得極具吸引力，特別是在需要擴(kuò)展范圍鏈接的情況下。

萊爾德科技的BISM2藍(lán)牙模塊增加了功率放大器和低噪聲信號(hào)放大器，可提供長(zhǎng)達(dá)1，000米的藍(lán)牙連接。 25 mm x 35 mm模塊通過(guò)串行數(shù)據(jù)端口連接到高性能集成藍(lán)牙天線。除了采用完全認(rèn)可的嵌入式藍(lán)牙協(xié)議棧外，該模塊還包括一個(gè)全面的AT風(fēng)格界面，可將應(yīng)用程序的開發(fā)時(shí)間從數(shù)月縮短至數(shù)天。

集成功率放大器提供25 mW輸出和功率控制，而低噪聲放大器將接收靈敏度提高到優(yōu)于-84.5 dBm以獲得范圍。如果設(shè)備和設(shè)備分布在整個(gè)站點(diǎn)上，這將特別有用。

圖4：Laird Technologies的BISM2長(zhǎng)距離藍(lán)牙模塊。

WirelessHART

根據(jù)IEEE802.15.4的規(guī)定，2.4 GHz ISM頻段分為16個(gè)非重疊頻道。 WirelessHART使用偽隨機(jī)信道跳頻序列來(lái)降低與其他網(wǎng)絡(luò)（尤其是Wi-Fi）干擾的可能性。信道跳變意味著設(shè)備不會(huì)固定在IEEE802.11b/g網(wǎng)絡(luò)正在使用的信道上很長(zhǎng)一段時(shí)間。使用時(shí)分多址（TDMA）協(xié)議可確保在任何給定時(shí)間只有一個(gè)設(shè)備在通道上通話，從而防止消息沖突并通過(guò)使用10 ms時(shí)隙來(lái)提供定義的延遲。

WirelessHART使用帶有10 dB放大器的2.4 GHz無(wú)線電，允許最多200 m的通信到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這又可以作為路由器沿著網(wǎng)格傳遞消息。當(dāng)不需要全距離時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以以較低功率發(fā)送以減少干擾其他網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)。

它使用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）提供大約8 dB的附加增益，其傳輸范圍分布在所選信道的整個(gè)頻率范圍內(nèi)。具有正確解碼信息的設(shè)備可以接收數(shù)據(jù)，而其他設(shè)備將傳輸視為白噪聲并忽略它。這允許接收和共存多個(gè)重疊的無(wú)線電信號(hào)。

6LoWPAN

與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)工作組一直致力于使用IPv4和IPv6連接傳感器和設(shè)備的更高級(jí)別協(xié)議。 6LoWPAN或IPv6低功耗無(wú)線個(gè)域網(wǎng)已定義了封裝和報(bào)頭定義，允許通過(guò)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)（如Zigbee）發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包，以便可以在更廣泛的Internet上使用這些數(shù)據(jù)包。

6LoWPAN的目標(biāo)是低功率無(wú)線電通信，數(shù)據(jù)速率較低，外形非常有限，工業(yè)自動(dòng)化是關(guān)鍵領(lǐng)域。通過(guò)指定在不同網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送相同分組的方式，轉(zhuǎn)換分組的需求較少，從而降低了復(fù)雜性，功耗和成本。

雖然這是一種更高級(jí)別的協(xié)議，但它會(huì)直接影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的處理要求和數(shù)據(jù)包大小，從而影響每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗。

其他ISM頻段

2.4 GHz頻段并非世界上唯一用于工業(yè)自動(dòng)化的頻段。其他較低的ISM頻段具有相同功率預(yù)算的更大范圍的優(yōu)勢(shì)，從而提供顯著的功率優(yōu)勢(shì)。這些較低的頻段不一定能攜帶大量數(shù)據(jù)，但這不是工業(yè)自動(dòng)化的問(wèn)題。使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用這些較低頻段的設(shè)備可以顯著降低功耗。然而，這些不是大批量應(yīng)用，因此終端設(shè)備成本可能更高。這些頻段中的設(shè)備也傾向于使用專有協(xié)議，從而限制了互操作性。

Semtech XE1205是一款低功耗，零中頻集成收發(fā)器，工作在433/868/915 MHz ISM頻段，可處理寬帶和窄帶鏈路，為使用工業(yè)協(xié)議提供關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程控制。

設(shè)備中的所有主要RF通信參數(shù)都是可編程的，其中大部分都可以動(dòng)態(tài)設(shè)置。它可用于歐洲（ETSI EN 300-220-1），25 kHz信道間隔和北美（FCC第15部分）監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

Semtech的TrueRF技術(shù)消除了對(duì)SAW濾波器的需求，減少了元件數(shù)量和系統(tǒng)成本，同時(shí)仍滿足ETSI和FCC規(guī)定。

同樣，Silicon Labs SI1012-A-GM是一款低功耗240至960 MHz收發(fā)器，集成了25 MHz 8051微控制器和12位ADC。

收發(fā)器支持FSK，GFSK和簡(jiǎn)單的開關(guān)OOK幅度調(diào)制，接收靈敏度為-121 dBm，輸出功率為13 dBm。它在接收模式下使用18.5 mA，在短距離+1 dBm鏈路上使用18 mA。

圖5：Silicon Labs Sl1012 240-960 MHz集成收發(fā)器

結(jié)論

頻段和協(xié)議的選擇對(duì)于降低無(wú)線鏈路的功率以及允許工業(yè)應(yīng)用中的傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)能量收集提供動(dòng)力至關(guān)重要。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用允許先發(fā)制人的維護(hù)和更密切的過(guò)程和設(shè)備監(jiān)控，從而降低多個(gè)領(lǐng)域的成本，而不僅僅是電費(fèi)。較低的ISM頻段提供可接受的數(shù)據(jù)速率和低功率，特別是對(duì)于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，但往往是專有的，而不是縮放以及其他方法。

雖然主流2.4 GHz頻段遇到干擾，但新技術(shù)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)協(xié)議（如WirelessHART和開放式SP100.11a協(xié)議）等方法相結(jié)合，為該頻段帶來(lái)了更多可信度。大批量的Zigbee和藍(lán)牙技術(shù)都推出了低功耗版本，只需較低的成本和互操作性，系統(tǒng)集成商就可以使用更多的供應(yīng)商，這些產(chǎn)品具有較高的產(chǎn)量，可以在工業(yè)應(yīng)用中推動(dòng)更多的使用。隨著設(shè)備，模塊和標(biāo)準(zhǔn)組都在降低功耗，工業(yè)設(shè)備制造商擁有更廣泛的選擇范圍，可以降低系統(tǒng)功耗并以多種方式降低成本。結(jié)果