工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )設計的低功耗無(wú)線(xiàn)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 )設計和實(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。

盡管人們認為功耗不是工業(yè)自動(dòng)化中的關(guān)鍵設計問(wèn)題，但由于幾個(gè)原因，低功耗設計在過(guò)去幾年中變得非常重要。首先是電力的明顯成本。遠程控制更多系統，因此控制器和無(wú)線(xiàn)系統的功耗增加。這相當于全世界數百萬(wàn)美元，削減這項法案是石油價(jià)格如此之高的關(guān)鍵焦點(diǎn)。許多工業(yè)用戶(hù)的關(guān)稅依賴(lài)于電力的可用性，并且可以在需求增加時(shí)減少供應，使得能夠以更低的功率運行。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以通過(guò)多種方式降低功耗。通過(guò)低功耗芯片，適當的協(xié)議和功耗感知軟件降低無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的功耗可以幫助降低直接成本。此外，無(wú)線(xiàn)控制器還可以在工廠(chǎng)車(chē)間周?chē)褂?，以控制加熱，照明和高壓空調的水平，具體取決于當時(shí)的活動(dòng)和人員配備水平。這可以大大降低設施的總體直接功耗。

還有其他驅動(dòng)器可以降低功耗。設計和制造收發(fā)器芯片的技術(shù)發(fā)展現在將無(wú)線(xiàn)設備和模塊帶入能量收集的能力范圍內。這意味著(zhù)從環(huán)境中清除的功率 - 通常來(lái)自振動(dòng)或工廠(chǎng)車(chē)間的溫度 - 可用于為傳感器和無(wú)線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)的大量位置。這樣可以在故障導致生產(chǎn)線(xiàn)停止之前對設備進(jìn)行更密切的監控，修復或更換。無(wú)線(xiàn)傳感器的使用也為工業(yè)客戶(hù)帶來(lái)了直接的成本節約。但是，在降低無(wú)線(xiàn)系統功耗時(shí)，要通過(guò)降低收發(fā)器功率或使用固有的低功耗拓撲（如網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )）來(lái)解決問(wèn)題。根據數據速率，延遲和網(wǎng)絡(luò )節點(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)勢和挑戰。

越來(lái)越受歡迎的范圍是未經(jīng)許可的2.4 GHz，從藍牙到Wi-Fi到Zigbee有許多不同的方法。標準組織正在開(kāi)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使用并用于廣泛的消費者和企業(yè)應用，因此收發(fā)器可從低成本的規模經(jīng)濟中受益，系統集成商可提供多種設備和模塊供您選擇。然而，這是一個(gè)擁擠的頻譜帶，對來(lái)自同一消費者和企業(yè)系統以及微波和其他發(fā)射的干擾很敏感。許多協(xié)議沒(méi)有針對實(shí)時(shí)數據進(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)送數據包，也會(huì )增加功耗。

其他無(wú)線(xiàn)協(xié)議是通過(guò)專(zhuān)有方法或現有工業(yè)標準開(kāi)發(fā)的。例如，Cyan Technology開(kāi)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)議擴展到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的鏈路設備。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )具有低功耗的關(guān)鍵優(yōu)勢，但在數據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)節點(diǎn)將消息轉發(fā)到下一個(gè)節點(diǎn)，直到消息到達其目的地。這意味著(zhù)功率因此尺寸要求低得多，因為收發(fā)器只需要到達其最近的鄰居。但是，數據可能必須跳幾次才能到達目的地，從而增加延遲。每個(gè)節點(diǎn)還必須處理兩組數據流量，將可用帶寬減半。這可以通過(guò)來(lái)自傳感器和監測設備的小數據包來(lái)補償。這通常不是問(wèn)題，但延遲效應是。 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)數據提供更高的吞吐量和所需的延遲，以保持低功耗和節點(diǎn)成本。

SP100.11a

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(kāi)放標準，支持多種協(xié)議，包括單個(gè)無(wú)線(xiàn)基礎設施上的Profibus。它旨在支持工廠(chǎng)自動(dòng)化應用程序的性能級別，而不僅僅是過(guò)程控制，并且是ANSI標準。

GHz ISM

Atmel的AT86RF230-ZU是專(zhuān)為802.15.4和Zigbee設計的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（見(jiàn)下文）。

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(xiàn)設計，除了片上集成的天線(xiàn)，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(xiàn)電收發(fā)器和數字解調，包括時(shí)間和頻率同步和數據緩沖，只需要一個(gè)天線(xiàn)，一個(gè)晶體和四個(gè)去耦電容。雙向差分天線(xiàn)引腳用于發(fā)送和接收，因此不需要外部天線(xiàn)開(kāi)關(guān)。

接收到的RF信號通過(guò)差分線(xiàn)路通過(guò)低噪聲放大器（LNA）饋送到RF濾波器（PPF），以產(chǎn)生復雜信號。該信號由混頻器向下轉換為中頻，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)驅動(dòng)模數轉換器（ADC）并產(chǎn)生數字信號，然后由數字基帶接收器采樣。

對于傳輸，器件使用在數字發(fā)送器中生成的偏移-QPSK（O-QPSK）調制，然后饋送到功率放大器，而內部128字節RAM緩沖要發(fā)送的數據或接收的數據。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（SoC）解決方案，適用于IEEE 802.15.4和Zigbee應用，如工業(yè)控制。憑借內置的無(wú)晶體USB接口，它可以構建USB加密狗或USB可升級網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，總成本低。 CC2531將Chipcon的RF收發(fā)器的性能與行業(yè)標準的增強型32 MHz 8051微控制器，系統內可編程閃存和8 KB RAM相結合。對于需要超低功耗的系統，它還具有各種操作模式，并且操作模式之間的短轉換時(shí)間進(jìn)一步確保了低能耗。

CC2531 Zigbee集成收發(fā)器USB SoC

藍牙

藍牙現在也正在成為工業(yè)自動(dòng)化的可行技術(shù)。該標準的最新版本Bluetooth v4.0向核心規范引入了低能耗技術(shù)，使新設備能夠在微型紐扣電池上運行數月甚至數年。

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

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

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。如果設備和設備分布在整個(gè)站點(diǎn)上，這將特別有用。

Laird Technologies的BISM2長(cháng)距離藍牙模塊

WirelessHART

根據IEEE802.15.4的規定，2.4 GHz ISM頻段分為16個(gè)非重疊頻道。 WirelessHART使用偽隨機信道跳頻序列來(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(zhù)設備不會(huì )固定在IEEE802.11b/g網(wǎng)絡(luò )正在使用的信道上很長(cháng)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)設備在通道上通話(huà)，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(xiàn)電，允許最多200 m的通信到下一個(gè)節點(diǎn)，這又可以作為路由器沿著(zhù)網(wǎng)格傳遞消息。當不需要全距離時(shí)，節點(diǎn)可以以較低功率發(fā)送以減少干擾其他網(wǎng)絡(luò )的機會(huì )。

它使用直接序列擴頻（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。具有正確解碼信息的設備可以接收數據，而其他設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(xiàn)電信號。

6LoWPAN

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

6LoWPAN的目標是低功率無(wú)線(xiàn)電通信，數據速率較低，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，轉換分組的需求較少，從而降低了復雜性，功耗和成本。

雖然這是一種更高級別的協(xié)議，但它會(huì )直接影響無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現的處理要求和數據包大小，從而影響每個(gè)節點(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算的更大范圍的優(yōu)勢，從而提供顯著(zhù)的功率優(yōu)勢。這些較低的頻段不一定能攜帶大量數據，但這不是工業(yè)自動(dòng)化的問(wèn)題。使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，使用這些較低頻段的設備可以顯著(zhù)降低功耗。然而，這些不是大批量應用，因此終端設備成本可能更高。這些頻段中的設備也傾向于使用專(zhuān)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)勢網(wǎng)絡(luò )和過(guò)程控制。

設備中的所有主要RF通信參數都是可編程的，其中大部分都可以動(dòng)態(tài)設置。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）監管標準。

Semtech的TrueRF技術(shù)消除了對SAW濾波器的需求，減少了元件數量和系統成本，同時(shí)仍滿(mǎn)足ETSI和FCC規定。

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(kāi)關(guān)OOK幅度調制，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。

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