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工业无线网络WIA的技术解析

发布时间: 2018-11-09 点击量: 214
工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中科院沈阳自动化所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术。 工业无线网络WIA技术 工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中科院沈阳自动化所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术,该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制,能够针对应用条件和环境的动态变化,保持网络性能的高可靠性和强稳定性。 工业无线网络WIA技术基于短程无线通信IEEE 802.15.4标准,使用符合中国无线委会规定的自由频带,解决工厂环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应,以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰,提供能够满足工业应用需求的高可靠、实时无线通信服务。 通过使用工业无线网络WIA技术,用户可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”,获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。 工业无线网络WIA技术主要应用于石油、石化、冶金、环保、污水处理等领域。 选择工业无线技术最重要的五个准则 无线应用把众多的新能力(如实现新型的监控、增加现有设备的灵活性、降低运营和流程管理成本)带入它们所服务的行业。反过来,许多不同类型的无线技术和应用迅速涌现出来以满足这个日益增长的需求。 需要强调的是,工业领域存在一些特有的挑战,但许多传统的无线技术并非是专门为应对这些挑战而设计的。这些挑战包括要求可靠性高、系统功耗低并具有在RF干扰严重的物理环境中良好工作的能力,当然,同时还须具有高性价比。 无线技术应用数量的不断增加也已成为一个挑战,众多的无线应用争夺同一个RF空间,导致频谱过于拥挤,并与业已存在的挑战交织在一起。要为某个特定的应用选择一个合适的、足以应对这些挑战的技术,工程师需要考量可靠性、简单性、功效、传输范围和成本等多个重要指标。 可靠性 在这里,可靠性是指无线系统在存在各种工业障碍的情况下成功完成通信的能力。我们可以根据无线系统的某些特征参数来评价其可靠性。 所使用的RF频谱:无线系统通信所使用的物理RF频谱 接收灵敏度:收发器完成通信需接收到的最小信号水平 输出功率:能够输出的信号水平 RF捷变能力:为避免干扰而在RF频谱中移动的能力 抗干扰度:在存在干扰的情况下在给定频道中通信的能力。 RF波的物理特性造成其频谱使用高度依赖于环境。频率越低,波长越长,越不容易被液体和加固混凝土等典型的生活与建筑材料所吸收。 但是,为减小与其它无线通信技术的干扰,RF频谱及其使用受到很强的管制。在RF频谱中,地方或国际组织只为免许可通信保留了几个频段,并称之为工业、科学和医疗(ISM)频段。在这些频段中,主要使用的频段是2.4GHz部分。在这个频段,由于波长短,信号迅速被不利于RF传输的工业环境所吸收,我们需要对其它可靠性评估指标给予更多的关注。 我们可以把接收灵敏度、输出功率和抗干扰度结合起来,形成一个更为宏观也更为重要的可靠性指标——链路预算。链路预算是接收灵敏度、输出功率和抗干扰度的综合值。系统的接收灵敏度越高、输出功率和抗干扰度越大,则链路预算越大。链路预算越大,RF吸收和RF干扰给系统带来影响的可能性越小,实现可靠通信的潜力越大。 收发器的接收灵敏度和输出功率强烈依赖于所使用的元器件,较易于进行评估和比较,但抗干扰度在很大程度上依赖于无线收发器为提高其生命力而使用的技术。目前使用的可直接改善抗干扰度的最好技术之一是直接序列扩频(DSSS)调制。 DSSS调制的本质是通过向传输信号中引入前向误差校正,来减少因信号干扰而造成的数据损失。特别地,DSSS基于发射器和接收器共享的伪随机噪声码,把数据编制成规模更大的比特流。 图1展示了把8比特数据编制成32码片(Chip)数据的过程,在这里,4个码片等价于一个比特。 这些码片被调制成RF信号并发射出去。接收器从接收到的信号中解调出这些码片并逆向执行DSSS编码方案。尽管由于信号噪声或干扰而存在解调错误,我们仍可以复现原始数据。 RF捷变通过干扰避免技术(在RF频谱内跳动或移动等)来改善可靠性。系统在频谱中移动的自由度越大,找到干扰较小的RF静谧环境的能力越强。包括伪随机跳频方案或基于算法的跳频方案在内,目前使用的各种RF捷变技术通过不断地在频谱中跳变来最大限度地减小干扰(见图2)。 从可靠性的角度来说,不断跳频存在的一个问题是,在繁忙的RF频谱中,系统可能会无意地连续跳到频谱中包含强干扰的频道。更智能的方案只在遇到干扰时跳频。一旦找到安静无干扰的频率时则停止跳频。 不管使用哪种捷变方案,RF捷变同样依赖于所使用的RF频谱和通道规模。所使用的RF频谱会影响可用捷变空间。例如,由于受到频率分配的制约,同工作频率较高的系统相比,工作频率较低的系统的捷变空间较小。例如,2.4GHz系统约有100MHz的可用频谱,而900MHz系统只有大约26MHz。 通道宽度也是影响RF捷变能力的一个重要因素。通道宽度越小,则在频谱中捷变的空间越大,RF捷变能力越强,避免干扰并在干扰之间找到合适位置的能力越强。例如基于802.15.4的系统的通道宽度为5MHz,只有16个可用通道,而通道宽度为1MHz的系统通常有80个可用的通道,因而有更多可用的避扰位置。 因而,可靠性是由链路预算、RF捷变能力和所使用的RF频谱所共同决定的。在相同的RF频谱上,无线系统的可靠性与链路预算和RF捷变能力正相关。 另外,尽管低频技术对某些特定环境有出众的表现(如某个较低频率的技术应用于遍布水管的工厂时),但同可提高链路预算和RF捷变能力的频率较高的技术相比,仍相形见绌。 简单性 理想地,工业领域的无线系统应能够完成与有线系统相同的功能,且要能简单地加以实现。我们应该从两个不同的角度来考虑简单性问题:其一是从设计终端产品以替代有线产品的工程师的角度;其二是从安装和使用这些产品的用户的角度。 从工程师的角度,可以把简单性定义为设计、开发和实现无线系统的容易程度。在这一点上,简单性涉及所包含的元件易用性、有哪些可用于设计和开发的辅助工具、以及是否有经认证的元件以消除或减小令人畏惧的当地无线认证过程。灵活的可编程技术可使工程师最大限度地调整所设计的系统,提高无线系统的易用性。 然而,灵活性和可编程能力通常会增加复杂性;因而,开发环境和工具(包括硬件工具和软件工具)必须便于使用和理解。包含开发和评估套件的工具可帮助全面地评估和理解硬件及软件。理想地,工程师应获得完整的无线协议栈及应用示例库、帮助文档和实例代码以便加快学习进程。 从用户的角度来说,简单性涉及在目标环境中安置和激活无线设备的简便性及对相关业务流程的影响。例如,系统可靠性和传输范围影响无线技术的试运行故障率。存在试运行故障的系统将最终要通过现场考察来确定最优的位置和通信路径。 另外,适应业务流程的技术可以使用户迅速地把该技术带来的好处整合到日常操作中。这些技术包括用于监视和遥控无线执行器的可编程的灵活性接口及其对自动响应系统的支持逻辑。这些接口通常被称为仪表盘(dashboard),可以方便地把无线网络的状态信息整合到现有的报告和分析过程中。 总的来说,无线系统最终须变得与有线系统同样易于管理和使用。从工程师和用户角度对系统做出定性的评价有助于理解和实现这个目标。 功效 功效是对无线系统功耗水平的一种度量。衡量无线方案优劣的较为传统的方式是测量系统所用元件的功耗,但这并不是问题的全部。例如,一个大部分时间处在最低功耗状态(睡眠模式)的高可靠性系统通常将比只在收发状态功耗低但不太可靠的系统功效更高,因为这些不太可靠的系统处在睡眠模式的时间较少,而更多时间处在高功耗的转发模式。因而,可靠性是衡量系统实际功效的一个重要指标。 除可靠性之外,主动电源管理(动态地控制输出功率)等系统行为也可以降低功耗和提高功效。一直致力于把输出功率降低到通信所必需使用的最低水平的系统将不仅是可靠的而且是高功效的。这种意义的功效,尽管对无线电技术而言并不是新概念,但从保证系统切实减小系统功耗方面,却是一个新概念。 传输范围 传输范围是无线电信号可以传输且被接收器可靠编译成数据的距离。考虑到工业领域不断改变且不利于RF传输的环境,在确定什么技术可以得到最佳传输范围时,最重要的指标是链路预算和可靠性。 无线系统也可以通过片上和非片上功率放大器来提高其链路预算。如果实现过程中使用上述功率放大器,高度可靠系统的传输范围会更大。另需指出,高功效系统只在绝对必要时才使用这些导致功耗增大的放大器。 其它扩展无线系统传输范围的方法包括使用中继器、路由器和对等通信等技术。由于在延迟和通信路径方面存在较大的不确定性,这些基于无线协议的技术增加了复杂性,提高了功耗并降低了可靠性。 因而,保持所有指标不变而提高传输范围的最佳方式是提高可靠性或用功率放大器进一步提升信号的幅度,但这受到当地频率使用条例的限制。 成本 由于无线系统涉及众多指标,对某个特定的操作环境,最低成本并不总是最优的。相反,我们关注的应该是整个系统的成本。例如,如果由于可靠性低而使用了高成本的权宜方案(如由于链路预算低而增加功率放大器的数量、使用有线后援系统等),那么,在评价无线系统时,也需把这些成本包含进来。 另外,如果系统可以完成更多的功能和从总体上给系统带来进一步的好处,也应该把这些新能力的价值考虑进来——实际上,应从该系统的总成本中减去这个价值。 假定所有其它指标不变,降低无线系统成本的一种技术方式是提高系统对用户的价值或降低系统的实际获取成本。元件成本通常需要由开发商和供应商协商解决,但某些应用系统可能对性能(闪存、RAM、处理能力等)的要求相对较低,因而可降低元件的成本。 例如,同简单的星形联网协议相比,复杂的网格联网协议通常需要更多的闪存,因为网格网络需要在整个网络中为通信分配路由,星形网络则是简单的点到点协议,只有集线器真正需要某种水平的路由功能。这个比较是在其它指标不变的条件下进行的。如果网格型方案比星型方案更为可靠或反之,这就不是一个合理的比较。 可靠性、简单性、功效、传输范围和成本是比较、评估和选择工业无线技术的五个最重要的指标。每个指标都以独特的视角展示了某个技术的优点。为确保针对给定应用选出了最合适的无线技术,在比较不同技术的优缺点时,须对这些指标逐一进行考察。
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