工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術(shù)是由中科院沈陽(yáng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技術(shù)是由中科院沈陽(yáng)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(wú)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。

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)基于短程無(wú)線通信IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用符合中國(guó)無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線通信服務(wù)。

通過(guò)使用工業(yè)無(wú)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(wú)法在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制，來(lái)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(wú)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(wú)線技術(shù)最重要的五個(gè)準(zhǔn)則

無(wú)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(guò)來(lái)，許多不同類型的無(wú)線技術(shù)和應(yīng)用迅速涌現(xiàn)出來(lái)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(wú)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(wú)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(wú)線應(yīng)用爭(zhēng)奪同一個(gè)RF空間，導(dǎo)致頻譜過(guò)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(wú)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(wú)線系統(tǒng)的某些特征參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其可靠性。

所使用的RF頻譜：無(wú)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(wú)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(lái)，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(lái)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(wú)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***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(guò)向傳輸信號(hào)中引入前向誤差校正，來(lái)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(guò)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)。

RF捷變通過(guò)干擾避免技術(shù)(在RF頻譜內(nèi)跳動(dòng)或移動(dòng)等)來(lái)改善可靠性。系統(tǒng)在頻譜中移動(dòng)的自由度越大，找到干擾較小的RF靜謐環(huán)境的能力越強(qiáng)。包括偽隨機(jī)跳頻方案或基于算法的跳頻方案在內(nèi)，目前使用的各種RF捷變技術(shù)通過(guò)不斷地在頻譜中跳變來(lái)***限度地減小干擾(見(jiàn)圖2)。

從可靠性的角度來(lái)說(shuō)，不斷跳頻存在的一個(gè)問(wèn)題是，在繁忙的RF頻譜中，系統(tǒng)可能會(huì)無(wú)意地連續(xù)跳到頻譜中包含強(qiáng)干擾的頻道。更智能的方案只在遇到干擾時(shí)跳頻。一旦找到安靜無(wú)干擾的頻率時(shí)則停止跳頻。

不管使用哪種捷變方案，RF捷變同樣依賴于所使用的RF頻譜和通道規(guī)模。所使用的RF頻譜會(huì)影響可用捷變空間。例如，由于受到頻率分配的制約，同工作頻率較高的系統(tǒng)相比，工作頻率較低的系統(tǒng)的捷變空間較小。例如，2.4GHz系統(tǒng)約有100MHz的可用頻譜，而900MHz系統(tǒng)只有大約26MHz。

通道寬度也是影響RF捷變能力的一個(gè)重要因素。通道寬度越小，則在頻譜中捷變的空間越大，RF捷變能力越強(qiáng)，避免干擾并在干擾之間找到合適位置的能力越強(qiáng)。例如基于802.15.4的系統(tǒng)的通道寬度為5MHz，只有16個(gè)可用通道，而通道寬度為1MHz的系統(tǒng)通常有80個(gè)可用的通道，因而有更多可用的避擾位置。

因而，可靠性是由鏈路預(yù)算、RF捷變能力和所使用的RF頻譜所共同決定的。在相同的RF頻譜上，無(wú)線系統(tǒng)的可靠性與鏈路預(yù)算和RF捷變能力正相關(guān)。

另外，盡管低頻技術(shù)對(duì)某些特定環(huán)境有出眾的表現(xiàn)(如某個(gè)較低頻率的技術(shù)應(yīng)用于遍布水管的工廠時(shí))，但同可提高鏈路預(yù)算和RF捷變能力的頻率較高的技術(shù)相比，仍相形見(jiàn)絀。

簡(jiǎn)單性

理想地，工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)能夠完成與有線系統(tǒng)相同的功能，且要能簡(jiǎn)單地加以實(shí)現(xiàn)。我們應(yīng)該從兩個(gè)不同的角度來(lái)考慮簡(jiǎn)單性問(wèn)題：其一是從設(shè)計(jì)終端產(chǎn)品以替代有線產(chǎn)品的工程師的角度;其二是從安裝和使用這些產(chǎn)品的用戶的角度。

從工程師的角度，可以把簡(jiǎn)單性定義為設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)的容易程度。在這一點(diǎn)上，簡(jiǎn)單性涉及所包含的元件易用性、有哪些可用于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的輔助工具、以及是否有經(jīng)認(rèn)證的元件以消除或減小令人畏懼的當(dāng)?shù)責(zé)o線認(rèn)證過(guò)程。靈活的可編程技術(shù)可使工程師***限度地調(diào)整所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，提高無(wú)線系統(tǒng)的易用性。

然而，靈活性和可編程能力通常會(huì)增加復(fù)雜性;因而，開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具(包括硬件工具和軟件工具)必須便于使用和理解。包含開(kāi)發(fā)和評(píng)估套件的工具可幫助全面地評(píng)估和理解硬件及軟件。理想地，工程師應(yīng)獲得完整的無(wú)線協(xié)議棧及應(yīng)用示例庫(kù)、幫助文檔和實(shí)例代碼以便加快學(xué)習(xí)進(jìn)程。

從用戶的角度來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單性涉及在目標(biāo)環(huán)境中安置和激活無(wú)線設(shè)備的簡(jiǎn)便性及對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)流程的影響。例如，系統(tǒng)可靠性和傳輸范圍影響無(wú)線技術(shù)的試運(yùn)行故障率。存在試運(yùn)行故障的系統(tǒng)將最終要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察來(lái)確定***的位置和通信路徑。

另外，適應(yīng)業(yè)務(wù)流程的技術(shù)可以使用戶迅速地把該技術(shù)帶來(lái)的好處整合到日常操作中。這些技術(shù)包括用于監(jiān)視和遙控?zé)o線執(zhí)行器的可編程的靈活性接口及其對(duì)自動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的支持邏輯。這些接口通常被稱為儀表盤(dashboard)，可以方便地把無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息整合到現(xiàn)有的報(bào)告和分析過(guò)程中。

總的來(lái)說(shuō)，無(wú)線系統(tǒng)最終須變得與有線系統(tǒng)同樣易于管理和使用。從工程師和用戶角度對(duì)系統(tǒng)做出定性的評(píng)價(jià)有助于理解和實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

功效

功效是對(duì)無(wú)線系統(tǒng)功耗水平的一種度量。衡量無(wú)線方案優(yōu)劣的較為傳統(tǒng)的方式是測(cè)量系統(tǒng)所用元件的功耗，但這并不是問(wèn)題的全部。例如，一個(gè)大部分時(shí)間處在***功耗狀態(tài)(睡眠模式)的高可靠性系統(tǒng)通常將比只在收發(fā)狀態(tài)功耗低但不太可靠的系統(tǒng)功效更高，因?yàn)檫@些不太可靠的系統(tǒng)處在睡眠模式的時(shí)間較少，而更多時(shí)間處在高功耗的轉(zhuǎn)發(fā)模式。因而，可靠性是衡量系統(tǒng)實(shí)際功效的一個(gè)重要指標(biāo)。

除可靠性之外，主動(dòng)電源管理(動(dòng)態(tài)地控制輸出功率)等系統(tǒng)行為也可以降低功耗和提高功效。一直致力于把輸出功率降低到通信所必需使用的***水平的系統(tǒng)將不僅是可靠的而且是高功效的。這種意義的功效，盡管對(duì)無(wú)線電技術(shù)而言并不是新概念，但從保證系統(tǒng)切實(shí)減小系統(tǒng)功耗方面，卻是一個(gè)新概念。

傳輸范圍

傳輸范圍是無(wú)線電信號(hào)可以傳輸且被接收器可靠編譯成數(shù)據(jù)的距離?？紤]到工業(yè)領(lǐng)域不斷改變且不利于RF傳輸?shù)沫h(huán)境，在確定什么技術(shù)可以得到***傳輸范圍時(shí)，最重要的指標(biāo)是鏈路預(yù)算和可靠性。

無(wú)線系統(tǒng)也可以通過(guò)片上和非片上功率放大器來(lái)提高其鏈路預(yù)算。如果實(shí)現(xiàn)過(guò)程中使用上述功率放大器，高度可靠系統(tǒng)的傳輸范圍會(huì)更大。另需指出，高功效系統(tǒng)只在絕對(duì)必要時(shí)才使用這些導(dǎo)致功耗增大的放大器。

其它擴(kuò)展無(wú)線系統(tǒng)傳輸范圍的方法包括使用中繼器、路由器和對(duì)等通信等技術(shù)。由于在延遲和通信路徑方面存在較大的不確定性，這些基于無(wú)線協(xié)議的技術(shù)增加了復(fù)雜性，提高了功耗并降低了可靠性。

因而，保持所有指標(biāo)不變而提高傳輸范圍的***方式是提高可靠性或用功率放大器進(jìn)一步提升信號(hào)的幅度，但這受到當(dāng)?shù)仡l率使用條例的限制。

成本

由于無(wú)線系統(tǒng)涉及眾多指標(biāo)，對(duì)某個(gè)特定的操作環(huán)境，***成本并不總是***的。相反，我們關(guān)注的應(yīng)該是整個(gè)系統(tǒng)的成本。例如，如果由于可靠性低而使用了高成本的權(quán)宜方案(如由于鏈路預(yù)算低而增加功率放大器的數(shù)量、使用有線后援系統(tǒng)等)，那么，在評(píng)價(jià)無(wú)線系統(tǒng)時(shí)，也需把這些成本包含進(jìn)來(lái)。

另外，如果系統(tǒng)可以完成更多的功能和從總體上給系統(tǒng)帶來(lái)進(jìn)一步的好處，也應(yīng)該把這些新能力的價(jià)值考慮進(jìn)來(lái)——實(shí)際上，應(yīng)從該系統(tǒng)的總成本中減去這個(gè)價(jià)值。

假定所有其它指標(biāo)不變，降低無(wú)線系統(tǒng)成本的一種技術(shù)方式是提高系統(tǒng)對(duì)用戶的價(jià)值或降低系統(tǒng)的實(shí)際獲取成本。元件成本通常需要由開(kāi)發(fā)商和供應(yīng)商協(xié)商解決，但某些應(yīng)用系統(tǒng)可能對(duì)性能(閃存、RAM、處理能力等)的要求相對(duì)較低，因而可降低元件的成本。

例如，同簡(jiǎn)單的星形聯(lián)網(wǎng)協(xié)議相比，復(fù)雜的網(wǎng)格聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通常需要更多的閃存，因?yàn)榫W(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中為通信分配路由，星形網(wǎng)絡(luò)則是簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，只有集線器真正需要某種水平的路由功能。這個(gè)比較是在其它指標(biāo)不變的條件下進(jìn)行的。如果網(wǎng)格型方案比星型方案更為可靠或反之，這就不是一個(gè)合理的比較。

可靠性、簡(jiǎn)單性、功效、傳輸范圍和成本是比較、評(píng)估和選擇工業(yè)無(wú)線技術(shù)的五個(gè)最重要的指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)都以獨(dú)特的視角展示了某個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。為確保針對(duì)給定應(yīng)用選出了最合適的無(wú)線技術(shù)，在比較不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，須對(duì)這些指標(biāo)逐一進(jìn)行考察。