開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)測量系統

概覽

無(wú)線(xiàn)通信為測量應用提供了許多技術(shù)優(yōu)勢，其中包括更低的布線(xiàn)成本和遠程監測功能。然而，如果不了解每項無(wú)線(xiàn)標準的技術(shù)優(yōu)勢和不足，選擇一項技術(shù)及其實(shí)現方法都會(huì )非常困難。

該文檔討論了市場(chǎng)上可用的各項無(wú)線(xiàn)技術(shù)，并展示了如何利用NI測量硬件和NI LabVIEW發(fā)揮無(wú)線(xiàn)技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢。

面向測量與自動(dòng)化的無(wú)線(xiàn)技術(shù)

在過(guò)去的數年中，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已經(jīng)遍及各個(gè)領(lǐng)域，這在相當程度上要歸功于消費類(lèi)電子產(chǎn)品?，F在有數百家無(wú)線(xiàn)設備制造商，就有同樣多的技術(shù)標準。理解每一項技術(shù)的優(yōu)勢和不足可以使得技術(shù)選擇過(guò)程更為簡(jiǎn)便。這一點(diǎn)在不能損害測量數據的測量與自動(dòng)化中尤為重要，即使在借助射頻波形時(shí)亦是如此。您可以利用下列無(wú)線(xiàn)技術(shù)改善測量系統。每項技術(shù)具有不同的技術(shù)優(yōu)勢與特性。

Wi-Fi與802.11 b/g：IEEE 802.11標準包含了一系列的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)規范。該標準涉及無(wú)線(xiàn)終端與基站間的空中接口以及兩個(gè)無(wú)線(xiàn)終端間的通信。最初的IEEE 802.11標準在2.4 GHz頻帶定義了1 Mb/s或2 Mb/s的通信速率。傳輸方法包括跳頻擴頻通信(FHSS)和直接序列擴頻通信(DSSS)。

作為該標準的拓展，802.11b(被稱(chēng)為Wi-Fi)，使得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在家庭和辦公場(chǎng)所廣為應用。這一變化在2.4 GHz頻帶提供了11 Mb/s的傳輸速率。

802.11g標準依據環(huán)境與噪聲條件的不同提供了20 Mb/s或者更高的帶寬。由于該標準的可靠性、安全性和已為市場(chǎng)驗證的良好記錄，它被NI應用于無(wú)線(xiàn)數據采集。。您可以在該文檔的后續部分發(fā)現關(guān)于NI 無(wú)線(xiàn)數據采集(DAQ)產(chǎn)品的更多信息。

IEEE 802.11的關(guān)鍵特性：

工作頻率：b/g – 2.4 GHz

數據速率：B/g – 11 Mb/s、g – 54 Mb/s

傳輸距離：b/g – 100米

聯(lián)網(wǎng)：點(diǎn)對多點(diǎn)

功耗：高

藍牙(802.1a)：一個(gè)由愛(ài)立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝等公司組成的企業(yè)聯(lián)盟定義了這一標準。該無(wú)線(xiàn)通信標準的主要目的在于使得設備間的短距離(通常低于10米)通信更為方便。然而，這一標準并沒(méi)有像802.11那樣一舉成功，這主要是因為距離限制和射頻芯片的價(jià)格。PC外設連接、電話(huà)與頭戴式耳機的連接和PDA經(jīng)常使用這一標準。該無(wú)線(xiàn)標準工作于2.4 GHz頻段，并使用高斯頻移鍵控(GFSK)進(jìn)行數據調制。該頻譜劃分為79個(gè)頻道，相鄰頻道間距為1 MHz。與802.11標準相似，藍牙基于安全考慮采用跳頻技術(shù)，頻道改變高達1600次/秒。

藍牙技術(shù)在測量應用中的挑戰在于受限的數據速率和傳輸范圍。其配置與安全性也不及802.11g標準廣泛。

藍牙(802.1a)的關(guān)鍵特性：

工作頻率：2.4 GHz

數據速率：1 Mb/s

傳輸距離：10-100米

聯(lián)網(wǎng)：臨時(shí)特設

功耗：適中

GPRS、GSM：通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)是一項面向跨移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送和接收信息的非語(yǔ)音業(yè)務(wù)。利用GPRS，您可以在數據生成的同時(shí)即時(shí)發(fā)送和接收數據，只要射頻信號可用。不同于傳統的地面線(xiàn)路，該系統不要求建立連接——因為它總是處于連接狀態(tài)。對于時(shí)間和對事件的快速反應都很關(guān)鍵的應用，這便是優(yōu)勢所在。GPRS在現有的電路交換的全球移動(dòng)通信系統(GSM)網(wǎng)絡(luò )上疊加了一個(gè)基于分組的空中接口。理論上的最大數據傳輸速率為172.2 kB/s，但是，它假定只有一個(gè)用戶(hù)在所分配的時(shí)隙上進(jìn)行通信并沒(méi)有采用差錯保護。然而，實(shí)際速率往往低于固定網(wǎng)絡(luò )，并在很大程度上依賴(lài)于外周結構、射頻信號強度和用戶(hù)數。

GSM的關(guān)鍵特性：

工作頻率： GSM-850采用824-849 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用869-894 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息。GSM-1900采用1850-1910 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用1930-1990 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息。GSM-900采用890-915 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用935-960 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息，提供了124條相鄰間隔為200 kHz的RF通道。雙工間隔為45 MHz。GSM-1800采用1710-1785 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用1805-1880 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息，提供了299個(gè)通道。雙工間隔為95 MHz。

數據速率：172.2 kb/s

傳輸距離：b35 km

聯(lián)網(wǎng)：點(diǎn)對點(diǎn)

功耗：低~高，取決于發(fā)射器的復雜度

無(wú)線(xiàn)調制解調器與專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )：許多廠(chǎng)商提供了專(zhuān)為各種惡劣環(huán)境(如極端的溫度范圍、高沖擊和高振動(dòng)條件)設計的工業(yè)級調制解調器?？晒┦褂玫漠a(chǎn)品的頻率范圍覆蓋了從窄帶(UHF、VHF)到無(wú)需許可的寬頻。典型情況下，窄帶需要獲得許可，提供更長(cháng)的傳播范圍和優(yōu)異的傳播性能，即使在超出視距的情況下也能支持信號傳輸，適合需要低帶寬的應用。擴頻特性意味著(zhù)不必需要許可，提供短程、中程和長(cháng)程傳輸能力，一般要求在視距范圍內，適合中等帶寬和高帶寬的應用。

無(wú)線(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢

面向測量應用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢在于，能夠最小化或者避免電線(xiàn)和電纜的使用。根據應用與環(huán)境的不同實(shí)際狀況，物理布線(xiàn)可能會(huì )相當昂貴、不便，或者甚至無(wú)法實(shí)現。其應用范例包括平臺的移動(dòng)/旋轉、移動(dòng)應用(如車(chē)輛和起重機)和使布線(xiàn)工作復雜化的結構。

無(wú)線(xiàn)通信還拓展了數據采集與I/O的距離或范圍，使其超越了布線(xiàn)方式下的實(shí)際性能。因此，大規模操作，如水處理和儲罐區，廣泛使用了無(wú)線(xiàn)技術(shù)。雖然無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)硬件所需的初始投資或許會(huì )高于傳統的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的硬件，但是包括系統安裝開(kāi)銷(xiāo)和運營(yíng)成本在內的整個(gè)系統的成本通常會(huì )有顯著(zhù)的下降。

在選擇一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現方式時(shí)，您應當考慮多個(gè)因素：

性能

范圍

安全性

性能

在考慮性能時(shí)，考慮頻譜的大小、距離、數據速率、功率、用戶(hù)數和技術(shù)的兼容性都很重要。

即使不同的無(wú)線(xiàn)標準定義了具體的數據速率，實(shí)際上，您在實(shí)際應用中所能期望看到的數據速率只是理論上最大吞吐量的約30%或者更少。RF干擾與用戶(hù)數目等因素影響著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能。此外，如果您正在使用多個(gè)兼容的標準，典型情況下，較慢的標準制約著(zhù)較快的標準。例如，當在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中使用802.11b組件和802.11g組件時(shí)，802.11g組件的數據速率會(huì )降至802.11b的數據速率。

范圍與吞吐量之間存在一個(gè)不變的平衡。您的硬件應當自動(dòng)感知信號的強度(除非您能夠以別的方式辨別)，并在您的信號減弱時(shí)倒退選用合適的傳輸速率。例如，如果您正在使用802.11b，速率從11Mb/s自動(dòng)降低為5.5 Mb/s、2 Mb/s，甚至為1 Mb/s。對于絕大多數互聯(lián)網(wǎng)連接，這樣的帶寬已經(jīng)是足夠了。

范圍

通常，一臺無(wú)線(xiàn)設備的范圍隨頻率的升高而下降，但并非總是如此。測試表明，802.11g與802.11b相比，具有相同的范圍，或者可能少許占優(yōu)，即使他們使用相同的頻率。市場(chǎng)上提供專(zhuān)為擴大筆記本電腦的無(wú)線(xiàn)范圍(通過(guò)提高板卡的功率使其超過(guò)Wi-Fi的認證極限100 mW)而設計的設備。在為您的系統購買(mǎi)額外的接入點(diǎn)前，考慮添置一個(gè)范圍拓展卡，如果您所在地的監管機構允許如此。

方向天線(xiàn)通常在點(diǎn)對點(diǎn)應用中最為有意義。它們將信號聚焦于一個(gè)窄束，而不是任其像您基站中的等向性天線(xiàn)那樣向各個(gè)方向輻射。您將發(fā)現的是，天線(xiàn)的增益越高，信號束的聚焦越窄。因而，當增益提高時(shí)，恰當地對準天線(xiàn)的必要性也在加大。這樣加大了接收者如果沒(méi)有恰當布置而丟失所傳送的數據的風(fēng)險。典型情況下，方向性天線(xiàn)按其增益評級銷(xiāo)售。您可以在每個(gè)天線(xiàn)的“信號束寬”的描述中觀(guān)察到增益的影響。

安全性

在安裝無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )時(shí)一個(gè)主要的考慮便是安全性。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )同時(shí)在商用市場(chǎng)和家居市場(chǎng)的快速成長(cháng)和普及，催生了許多不同應用的實(shí)現，其中包括隱私信息的傳送。對隱私保護的渴求推動(dòng)了無(wú)線(xiàn)安全協(xié)議的發(fā)展，并繼續激勵人們?yōu)槭篃o(wú)線(xiàn)技術(shù)更為安全付出更多努力。

最初的802.11標準包含了一個(gè)被稱(chēng)為有線(xiàn)等效私密(WEP)的安全協(xié)議，它以足夠的強度加密數據分組阻止了絕大多數的竊聽(tīng)者，但仍存在著(zhù)一些不足。業(yè)界需要一個(gè)強度更高的加密/認證系統，這促成了IEEE 802.11i(通常稱(chēng)為WPA2)的實(shí)現。WPA2提供了可擴展的認證協(xié)議(EAP)和高級加密標準(AES)——一種由NIST認可并要求在所有美國政府設施中采用的128-位加密算法。

另一個(gè)安全措施便是最小化無(wú)線(xiàn)電波在一個(gè)設施的物理控制區域的外部的傳播。這使得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )變得更為安全，因為這樣降低了竊聽(tīng)和拒絕服務(wù)攻擊的可能性。

您可以在這里找到關(guān)于無(wú)線(xiàn)安全的更多信息。

將無(wú)線(xiàn)功能添加至測量系統

Wi-Fi與802.11 b/g：NI 無(wú)線(xiàn)數據采集(DAQ)設備，依靠標準的、可信賴(lài)的技術(shù)，提供簡(jiǎn)單、安全的測量，以及高性能的數據流功能。您可以實(shí)時(shí)查看數據，將動(dòng)態(tài)波形測量結果轉化為高達每通道51.2 kS/s的數據流。此外，內置的信號調理提供了與各種傳感器的連接，其中包括熱電偶、加速計和負載元件等。這些設備利用了NI C系列測量與控制模塊，它們還可以用于USB數據采集和NI CompactRIO可編程自動(dòng)化控制器(PAC)。

利用WPA2——商業(yè)可用的最高等級網(wǎng)絡(luò )安全，無(wú)線(xiàn)數據采集設備保護您的系統免遭不希望的訪(fǎng)問(wèn)。認證確保只有通過(guò)授權的設備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，加密防止了數據分組被中途截取。無(wú)線(xiàn)數據采集設備支持多種可拓展的認證協(xié)議(EAP)方法，它們?yōu)镈AQ設備和無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)之間提供相互認證。它們還支持128-位AES加密，這種加密方法已被NIST認可并且要求在所有美國政府的設施中采用這一方法。利用強大的安全協(xié)議，您可以將無(wú)線(xiàn)連接安全地吸納到現有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )中。

無(wú)線(xiàn)數據采集設備包含NI-DAQmx驅動(dòng)程序和測量服務(wù)軟件，后者包括直觀(guān)的應用編程接口、配置例程、I/O助手以及專(zhuān)為減少系統搭建、配置和開(kāi)發(fā)所需時(shí)間的工具。

根據您所使用的NI測量與控制硬件的不同，您可以有其他不同的選擇。所有的NI PAC具有以太網(wǎng)端口的特性。您可以將一個(gè)NI PAC(如NI緊湊FieldPoint、CompactRIO、緊湊視覺(jué)系統或PXI系統)與一個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)(如NI WAP-3701)相連接。這一操作使您的系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )即刻可用，而且通信也是透明的，就如同該系統與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連一樣工作。

對于帶有NI數據采集設備的臺式機PC或筆記本電腦，您可以使用計算機的以太網(wǎng)端口與Wi-Fi接入點(diǎn)以及商業(yè)可用的PCMCIA和PCI Wi-Fi適配器相連。幾乎所有的新推出膝上計算機和筆記本電腦都具有內置Wi-Fi功能的特性。

當使用LabVIEW和TCP/IP等標準通信協(xié)議時(shí)，您的應用可以在設備間正向或反向發(fā)送數據，而且無(wú)論是采用物理上的以太網(wǎng)線(xiàn)纜還是空中無(wú)線(xiàn)電波作為傳輸媒介，它都可以透明地傳輸數據。

例如，LabVIEW為T(mén)CP通信提供了許多內置函數(參見(jiàn)圖1)。無(wú)論測量系統是通過(guò)線(xiàn)纜還是無(wú)線(xiàn)調制解調器與網(wǎng)絡(luò )相連，這些函數都以同樣的方式工作。

圖1.LabVIEW中關(guān)于TCP的VI

藍牙或802.1a：當前版本的藍牙技術(shù)(甚至包括新拓展的范圍1類(lèi)規范)最適合基于通用操作系統(如Windows)的系統。當使用PC作為測量系統的主機系統時(shí)，您可以利用LabVIEW的內置藍牙函數庫(參見(jiàn)圖2)。有多個(gè)串口至藍牙和USB至藍牙的適配器可用于在臺式機或膝上計算機上添加藍牙功能。許多新推出的膝上計算機已經(jīng)具備內置藍牙收發(fā)器的特性。許多PDA也包含了藍牙通信的功能，通過(guò)LabVIEW PDA模塊，您也可以編程訪(fǎng)問(wèn)該藍牙通信功能。

圖2 .LabVIEW藍牙函數

GPRS、GSM：通過(guò)配置使您的測量系統利用GPRS網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)發(fā)送數據，可能比利用其他技術(shù)更為復雜。下面列出了是一些啟動(dòng)所需的事項：

一個(gè)支持GPRS的終端

訂閱支持GPRS的移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)(注意：使用GPRS必須針對具體用戶(hù)進(jìn)行配置。一些移動(dòng)服務(wù)提供商允許自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)GPRS網(wǎng)絡(luò )，而其他移動(dòng)服務(wù)提供商或許會(huì )要求一個(gè)明確的功能訂閱。)

發(fā)送和/或接受GPRS數據所需的一些技術(shù)細節，取決于您所使用的具體硬件，也包括軟硬件的配置

通過(guò)GPRS發(fā)送或接收信息的目的端(注意：目的端可以是一個(gè)URL、另一個(gè)支持GPRS的設備(或者接受數據的軟件應用)或者一只移動(dòng)電話(huà)。)

一些選項是專(zhuān)為NI硬件設計的(參見(jiàn)圖3)，如由S.E.A.科學(xué)與工程應用數據技術(shù)股份有限公司(SAE)開(kāi)發(fā)的面向CompactRIO的GPRS/GSM模塊。利用該模塊，您可以通過(guò)移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò )遠程控制和監測無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)的、移動(dòng)測量系統。一個(gè)額外的GPS模塊可用于精確的位置定位。分布式系統可以通過(guò)RCC模塊實(shí)現時(shí)間同步。面向這些測量數據采集應用的平臺是CompactRIO系統。該平臺與cRIO Gxxx移動(dòng)模塊相結合，為汽車(chē)、船舶、航空和遠程服務(wù)等應用的移動(dòng)系統提供了頗具吸引力的解決方案。cRIO Gxxx移動(dòng)組合模塊提供了GPRS、GPS和射頻時(shí)鐘等功能特性。該模塊支持位置定位和測量數據或事件信息的傳輸。此外，小尺寸數據分組或參數可以作為文本信息(SMS)雙向交換。

圖3.cRIO Gxxx模塊與NI CompactRIO系統(感謝S.E.A提供)

該技術(shù)的典型應用有器具、ATM終端、汽車(chē)、遠程數據收集、氣泵、工業(yè)與醫療遠程監測系統、遠程診斷學(xué)、遠程測量、安全系統和自動(dòng)售貨機/游戲機等。

無(wú)線(xiàn)調制解調器與專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )：許多公司提供了可以工作于自由頻段或私有許可頻段的工業(yè)級設備。一個(gè)專(zhuān)有的RF網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢在于您擁有這個(gè)系統和數據傳輸所采用的頻率。它支持實(shí)時(shí)數據交換，在典型情況下，您不再需要重新訂閱或支付使用花費。根據您的測量設備、距離、安全性和成本等不同的要求，您可以從多種類(lèi)型的調制解調器中進(jìn)行選擇，其中，大多數的調制解調器都使得無(wú)線(xiàn)連接對于軟件透明。

總結

通過(guò)在您的現有或新的測量系統中添加無(wú)線(xiàn)通信功能，您可以顯著(zhù)地增強其適用范圍與靈活性，甚至可以降低成本。無(wú)論您是在使用NI 無(wú)線(xiàn)數據采集設備、配有數據采集設備的PC或膝上計算機還是NI PAC，支持系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信所需的必要連接都已就緒可用。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的演進(jìn)和成本與復雜度的降低，您僅需將它們集成到您的測量系統中，您的系統也會(huì )取得相同的改進(jìn)。