工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)解析

　　工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)

　　工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術(shù)是由中科院沈陽自動(dòng)化所推出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，能夠針對(duì)應(yīng)用條件和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò)性能的高可靠性和強(qiáng)穩(wěn)定性。

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　　工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)基于短程無線通信IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用符合中國(guó)無線委會(huì)規(guī)定的自由頻帶，解決工廠環(huán)境下遍布的各種大型器械、金屬管道等對(duì)無線信號(hào)的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達(dá)、器械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲對(duì)無線通信的干擾，提供能夠滿足工業(yè)應(yīng)用需求的高可靠、實(shí)時(shí)無線通信服務(wù)。

　　通過使用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)，用戶可以以較低的投資和使用成本實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制，來達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。

　　工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)主要應(yīng)用于石油、石化、冶金、環(huán)保、污水處理等領(lǐng)域。

　　選擇工業(yè)無線技術(shù)最重要的五個(gè)準(zhǔn)則

　　無線應(yīng)用把眾多的新能力(如實(shí)現(xiàn)新型的監(jiān)控、增加現(xiàn)有設(shè)備的靈活性、降低運(yùn)營(yíng)和流程管理成本)帶入它們所服務(wù)的行業(yè)。反過來，許多不同類型的無線技術(shù)和應(yīng)用迅速涌現(xiàn)出來以滿足這個(gè)日益增長(zhǎng)的需求。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，工業(yè)領(lǐng)域存在一些特有的挑戰(zhàn)，但許多傳統(tǒng)的無線技術(shù)并非是專門為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的。這些挑戰(zhàn)包括要求可靠性高、系統(tǒng)功耗低并具有在RF干擾嚴(yán)重的物理環(huán)境中良好工作的能力，當(dāng)然，同時(shí)還須具有高性價(jià)比。

　　無線技術(shù)應(yīng)用數(shù)量的不斷增加也已成為一個(gè)挑戰(zhàn)，眾多的無線應(yīng)用爭(zhēng)奪同一個(gè)RF空間，導(dǎo)致頻譜過于擁擠，并與業(yè)已存在的挑戰(zhàn)交織在一起。要為某個(gè)特定的應(yīng)用選擇一個(gè)合適的、足以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的技術(shù)，工程師需要考量可靠性、簡(jiǎn)單性、功效、傳輸范圍和成本等多個(gè)重要指標(biāo)。

　　可靠性

　　在這里，可靠性是指無線系統(tǒng)在存在各種工業(yè)障礙的情況下成功完成通信的能力。我們可以根據(jù)無線系統(tǒng)的某些特征參數(shù)來評(píng)價(jià)其可靠性。

　　* 所使用的RF頻譜：無線系統(tǒng)通信所使用的物理RF頻譜

　　* 接收靈敏度：收發(fā)器完成通信需接收到的最小信號(hào)水平

　　* 輸出功率：能夠輸出的信號(hào)水平

　　* RF捷變能力：為避免干擾而在RF頻譜中移動(dòng)的能力

　　* 抗干擾度：在存在干擾的情況下在給定頻道中通信的能力。

　　RF波的物理特性造成其頻譜使用高度依賴于環(huán)境。頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，越不容易被液體和加固混凝土等典型的生活與建筑材料所吸收。

　　但是，為減小與其它無線通信技術(shù)的干擾，RF頻譜及其使用受到很強(qiáng)的管制。在RF頻譜中，地方或國(guó)際組織只為免許可通信保留了幾個(gè)頻段，并稱之為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。在這些頻段中，主要使用的頻段是2.4GHz部分。在這個(gè)頻段，由于波長(zhǎng)短，信號(hào)迅速被不利于RF傳輸?shù)墓I(yè)環(huán)境所吸收，我們需要對(duì)其它可靠性評(píng)估指標(biāo)給予更多的關(guān)注。

　　我們可以把接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度結(jié)合起來，形成一個(gè)更為宏觀也更為重要的可靠性指標(biāo)——鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算是接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度的綜合值。系統(tǒng)的接收靈敏度越高、輸出功率和抗干擾度越大，則鏈路預(yù)算越大。鏈路預(yù)算越大，RF吸收和RF干擾給系統(tǒng)帶來影響的可能性越小，實(shí)現(xiàn)可靠通信的潛力越大。

　　收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率強(qiáng)烈依賴于所使用的元器件，較易于進(jìn)行評(píng)估和比較，但抗干擾度在很大程度上依賴于無線收發(fā)器為提高其生命力而使用的技術(shù)。目前使用的可直接改善抗干擾度的最好技術(shù)之一是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制。

　　DSSS調(diào)制的本質(zhì)是通過向傳輸信號(hào)中引入前向誤差校正，來減少因信號(hào)干擾而造成的數(shù)據(jù)損失。特別地，DSSS基于發(fā)射器和接收器共享的偽隨機(jī)噪聲碼，把數(shù)據(jù)編制成規(guī)模更大的比特流。

　　圖1展示了把8比特?cái)?shù)據(jù)編制成32碼片(Chip)數(shù)據(jù)的過程，在這里，4個(gè)碼片等價(jià)于一個(gè)比特。

　　這些碼片被調(diào)制成RF信號(hào)并發(fā)射出去。接收器從接收到的信號(hào)中解調(diào)出這些碼片并逆向執(zhí)行DSSS編碼方案。盡管由于信號(hào)噪聲或干擾而存在解調(diào)錯(cuò)誤，我們?nèi)钥梢詮?fù)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)。

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