工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WIA的技術(shù)解析

工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WIA技術(shù)

工業(yè)無(wú)線(xiàn)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產(chǎn)權的高可靠、超低功耗的智能多跳無(wú)線(xiàn)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 )路由機制，能夠針對應用條件和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò )性能的高可靠性和強穩定性。

工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WIA技術(shù)基于短程無(wú)線(xiàn)通信IEEE 802.15.4標準，使用符合中國無(wú)線(xiàn)委會(huì )規定的自由頻帶，解決工廠(chǎng)環(huán)境下遍布的各種大型器械、金屬管道等對無(wú)線(xiàn)信號的反射、散射造成的多徑效應，以及馬達、器械運轉時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲對無(wú)線(xiàn)通信的干擾，提供能夠滿(mǎn)足工業(yè)應用需求的高可靠、實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)通信服務(wù)。

通過(guò)使用工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WIA技術(shù)，用戶(hù)可以以較低的投資和使用成本實(shí)現對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無(wú)法在線(xiàn)監測的重要工業(yè)過(guò)程參數，并以此為基礎實(shí)施優(yōu)化控制，來(lái)達到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節能降耗的目標。

工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WIA技術(shù)主要應用于石油、石化、冶金、環(huán)保、污水處理等領(lǐng)域。

選擇工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)最重要的五個(gè)準則

無(wú)線(xiàn)應用把眾多的新能力(如實(shí)現新型的監控、增加現有設備的靈活性、降低運營(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(lèi)型的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和應用迅速涌現出來(lái)以滿(mǎn)足這個(gè)日益增長(cháng)的需求。

需要強調的是，工業(yè)領(lǐng)域存在一些特有的挑戰，但許多傳統的無(wú)線(xiàn)技術(shù)并非是專(zhuān)門(mén)為應對這些挑戰而設計的。這些挑戰包括要求可靠性高、系統功耗低并具有在RF干擾嚴重的物理環(huán)境中良好工作的能力，當然，同時(shí)還須具有高性?xún)r(jià)比。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用數量的不斷增加也已成為一個(gè)挑戰，眾多的無(wú)線(xiàn)應用爭奪同一個(gè)RF空間，導致頻譜過(guò)于擁擠，并與業(yè)已存在的挑戰交織在一起。要為某個(gè)特定的應用選擇一個(gè)合適的、足以應對這些挑戰的技術(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。

可靠性

在這里，可靠性是指無(wú)線(xiàn)系統在存在各種工業(yè)障礙的情況下成功完成通信的能力。我們可以根據無(wú)線(xiàn)系統的某些特征參數來(lái)評價(jià)其可靠性。

* 所使用的RF頻譜：無(wú)線(xiàn)系統通信所使用的物理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水平

* 輸出功率：能夠輸出的信號水平

* 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(lài)于環(huán)境。頻率越低，波長(cháng)越長(cháng)，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(xiàn)通信技術(shù)的干擾，RF頻譜及其使用受到很強的管制。在RF頻譜中，地方或國際組織只為免許可通信保留了幾個(gè)頻段，并稱(chēng)之為工業(yè)、科學(xué)和醫療(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(cháng)短，信號迅速被不利于RF傳輸的工業(yè)環(huán)境所吸收，我們需要對其它可靠性評估指標給予更多的關(guān)注。

我們可以把接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度結合起來(lái)，形成一個(gè)更為宏觀(guān)也更為重要的可靠性指標——鏈路預算。鏈路預算是接收靈敏度、輸出功率和抗干擾度的綜合值。系統的接收靈敏度越高、輸出功率和抗干擾度越大，則鏈路預算越大。鏈路預算越大，RF吸收和RF干擾給系統帶來(lái)影響的可能性越小，實(shí)現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烈依賴(lài)于所使用的元器件，較易于進(jìn)行評估和比較，但抗干擾度在很大程度上依賴(lài)于無(wú)線(xiàn)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)之一是直接序列擴頻(DSSS)調制。

DSSS調制的本質(zhì)是通過(guò)向傳輸信號中引入前向誤差校正，來(lái)減少因信號干擾而造成的數據損失。特別地，DSSS基于發(fā)射器和接收器共享的偽隨機噪聲碼，把數據編制成規模更大的比特流。

圖1展示了把8比特數據編制成32碼片(Chip)數據的過(guò)程，在這里，4個(gè)碼片等價(jià)于一個(gè)比特。

這些碼片被調制成RF信號并發(fā)射出去。接收器從接收到的信號中解調出這些碼片并逆向執行DSSS編碼方案。盡管由于信號噪聲或干擾而存在解調錯誤，我們仍可以復現原始數據。

RF捷變通過(guò)干擾避免技術(shù)(在RF頻譜內跳動(dòng)或移動(dòng)等)來(lái)改善可靠性。系統在頻譜中移動(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。包括偽隨機跳頻方案或基于算法的跳頻方案在內，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)最大限度地減小干擾(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，系統可能會(huì )無(wú)意地連續跳到頻譜中包含強干擾的頻道。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(lài)于所使用的RF頻譜和通道規模。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相比，工作頻率較低的系統的捷變空間較小。例如，2.4GHz系統約有100MHz的可用頻譜，而900MHz系統只有大約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，避免干擾并在干擾之間找到合適位置的能力越強。例如基于802.15.4的系統的通道寬度為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(xiàn)系統的可靠性與鏈路預算和RF捷變能力正相關(guān)。