工业应用中选择无线网络时的各种可用方案和局限性解析

作者：技术支持工程师，麦瑞公司 （Micrel， Inc.） Vince Stueve

数据的无线传输有多种方法。从简单的指令和控制方案，如遥控无钥匙进入（RKE）和车库开门装置到无线局域网（WLAN）等等。本文旨在介绍各种可用方案及其中存在的必须应对的局限性， 以期为设计师提供一些实用信息，供其在为工业应用选择无线网络时使用。

汽车等设备上用来锁定和打开车门的遥控无钥匙进入（RKE）系统就是简单的指令和控制应用的一个非常典型的例子。在遥控无钥匙进入（RKE）应用中，指令通过遥控钥匙发送至汽车信号接收器。适当地接收到指令后，汽车即会相应锁定或解锁。

类似汽车中安装的接收器理论上可以接收任何类似型号的遥控钥匙发送的数据包。然而，汽车只能接收专门为其指定的遥控钥匙发送的指令。滚动码生成器和安全加密等协议通常用于从遥控钥匙将唯一的ID传输至汽车。这样一来，您的遥控钥匙就无法打开您朋友的类似型号的汽车，反之亦然，从而确保汽车的安全。

对于汽车遥控无钥匙进入（RKE），遥控钥匙操作人员通常会听到锁具被锁定的声音。如果没有听到“咔嚓”声，操作员只需再次按下按钮，从而通过人机交互完成遥控无钥匙进入 （RKE） 应用中的反馈环节。如果没有听到汽车解锁的声音，就需要再次按下按钮，直至听到解锁声。

图1：遥控无钥匙进入（RKE）应用

很多工业应用都需要传输指令和控制数据。从传感器发送将温度指示到主机就是一个例子。工业应用和遥控无钥匙进入（PKE）之间的差异是：工业应用中无需人员介入判断是否真正收到了温度指示。

需要确认数据的接收意味着存在双向网络。随着融入更多致动器、开关和电机需求的出现，系统的复杂度会立即增加。因此，由于应用中需要确认数据是否已实际送达，工业网络通常不会使用简单的单向遥控无钥匙进入（RKE）网络。

工业无线解决方案的每个节点上基本都有一个微控制器。微控制器会通过接口连接至温度传感器和致动器等实体设备，来读取或写入它们的数据。同时，微控制器还需负责管理射频网络协议。协议的选择取决于多种因素。选择最佳解决方案的因素包括：数据传输范围、数据传输速率、功耗和网络协议栈的复杂度。

ZigBee最近受到了大量关注。作为标准解决方案，ZigBee或802.15.4最初被视为许多低功耗、低数据传输速率无线通信应用的最佳选择。但是，它真的适用于所有应用吗？当然不是。在有些情况下，802.11 WLAN非常适用于高数据传输速率的数据传输。同样，有些应用需要更长的数据传输范围和电池寿命。简言之，具体架构决定着特定应用所需的无线网络类型。

在无线网络中，如果数据传输速率增大，系统资源也会相应增多。以802.11 WLAN为例，由于其实现网络通信所需的功耗和代码大小，这些协议不能用于大多数嵌入式应用。典型的 802.11 WLAN节点所需的程序内存高达1MB，还需要功能更强大的处理器来使单节点正常运行。

802.11无线电附加系统处理器的功耗使其非常适用于工业网络中的计算应用和信息回程，但便携式节点需要大量功耗和系统资源才能使802.11 WLAN的节点正常运行。功耗大、代码长且昂贵的802.11 WLAN不适用于温度、压力和致动的远程监控等任务。

ZigBee协议相对较轻巧，它的代码空间为32-70KB，数据传输范围适中，为10-100米。这些特点让ZigBee成为了工业网络的首选。ZigBee的一大优点是其“网状”能力。网状网络允许节点间的信息传输；这样一来，就算任何节点出现故障或掉线，信息也能顺利传输至目的地。网状网络的数据包处理非常复杂，因此，所需的程序内存较大。图2给出了各无线网络的相应代码大小。

图2：各射频网络所需的系统资源

蓝牙是工业应用中常常会谈到的另一种常见方案。快速浏览上图就能发现，蓝牙的数据传输范围较短，代码较大，再加上蓝牙属于点对点通信方案，就会立即判断出它不适用于工业射频应用。

那么，专线网络如何？专线网络指不按特定标准运行的网络。通常采用915MHz ISM频段（工业、科学和医疗）和2.4GHz频段。有时，315MHz或433MHz的频段也被用于指令和控制类应用。当地的监管要求通常会指定可用的频率。

在射频信号通过空气传输的过程中，其功率水平会与已传输的距离成反比、与频率成正比而降低。自由空间路径损耗公式如下所示，对应的各频率的路径损耗与距离的关系如图3所示。

图3

因此，在自由空间内传输距离达到 100 米时，路径损耗如下：

2.4GHz，80dB

915MHz，72dB（比运行频率为2.4GHz时路径损耗小8dB）

433MHz，65dB（比运行频率为2.4GHz时路径损耗小15dB）

在射频系统中，接收到的信号等于发射功率加系统天线增益再减去路径损耗，如下面的公式所示。

如果一个系统的输出功率为 10dBm，系统天线增益为 0，在理想环境下的自由空间为 100 米，那么，它接收到的信号强度将为：

2.4GHz，-70dB

915MHz，-62dB

433MHz，-55dB

这表示，运行频率为2.4GHz的系统接收器的灵敏度至少应达到-70dB，才能在理想的自由空间环境下检测到信号。

除了自由空间路径损耗以外，传输信号也会因建筑物、植被和其它物体而衰减。接收器试图对输入射频信号进行解码时也会受到多路径和信号散射等其它因素的影响。哈他模型 （Hata Model） 等其它路径损耗考虑了天线高出地面的距离和市区环境的影响带来的损耗，这些模型能够更真实地反映路径损耗。大多数应用中的实际路径损耗值比图3中给出的路径损耗值大得多。有趣的是，路径损耗会随着频率的增大而增大。这就是运行频率为 2.4GHz 的系统比运行频率为915MHz或433MHz 的系统的数据传输范围小的原因。

射频设计中常用的经验法则是：链路预算增加6 dB会使数据传输距离大致翻一番。利用该经验法则就不难看出，运行频率为915MHz的系统的数据传输距离将是运行频率为2.4GHz的系统的数据传输距离的两倍多。运行频率为433MHz的系统的数据传输距离将是运行频率为915MHz的系统的数据传输距离的一倍。因此，运行频率较低的系统可实现较长距离的数据传输。

此外，数据传输速率在工业网络的运行频率和调制类型选择中也扮演着重要角色。如之前所述，远程温度监控和致动等应用最好应采用以低功率运行较小的软件栈的专线网络。为预期应用定制数据包可大幅简化这些专线网络。

采用ISM频段专线网络的无线解决方案的数据传输范围或覆盖范围通常要比ZigBee、蓝牙或WLAN的数据传输范围或覆盖范围好很多。除了专线网络以低频率运行降低路径损耗之外，其它因素也可增大专线网络的数据传输范围。数据包小、数据传输速率低和能够发送多份数据副本是专线网络通常优于基于标准网络的原因。图4为各无线网络的覆盖范围与技术的对比。

图4：各射频网络的覆盖范围与技术

ZigBee和ISM频段专线网络的功耗更符合工业网络中对温度、压力和致动数据的远程监控的期望。ZigBee节点用一对AA电池可运行一年左右，而使用专线ISM频段协议的节点在同样的电源支持下可轻松将寿命延长至10年。ISM频段解决方案的电池寿命较长的原因是设计者能够选择数据的占空比，从而针对特定情况定制解决方案。

全球公认的ZigBee 802.15.4系统运行频率为2.4GHz，采用DSSS（直接序列扩频，偏移四相相移键控）作为调制方案。ZigBee无线电设备还能在美洲地区以915MHz DSSS运行，并在欧洲地区以868MHz DSSS运行；这些频率的调制方案为BPSK（二进制相移键控）。目前，大部分ZigBee解决方案的运行频率均为2.4GHz。由于2.4GHz频段在全球范围内被广泛用于众多无线标准和微波炉中，它已变得日益拥挤。不太拥挤的ISM 915、868频段或433MHz频段可成为拥挤的2.4GHz无线解决方案的替代方案，应予以考虑。

与915MHz或更低的频率相比，运行频率为2.4GHz的系统的天线波长较短。这就是许多WLAN路由器需要两根天线（运行频率为5.6GHz的802.11g需要三根天线）的原因。反射和多路径会导致运行频率为2.4GHz的系统在数据传输过程中出现零位。以915MHz等较低的运行频率实现网络通信不会显示多路径和置零，因而只需一根天线就能良好运行。运行频率为915MHz或更低的很多应用可使用板载带状PCB天线实现网络通信。减少天线数量有助于降低整个系统的成本，也是运行频率超出2.4GHz的网络通常会选择成本低、数据传输范围长的工业网络的另一个原因。

那么，ISM频段内可用的其它方案有哪些？ 这些年来，工程师们创造出了采用OOK（开关键控）、ASK（振幅键控）和FSK（频移键控）调制方案的专线射频网络。很多时候，这些网络具有工程师不容忽视的优点。麦瑞目前提供频段为310MHz到950MHz的收发器，可在ISM频段内执行遥控无钥匙进入（PKE）和双向无线网络协议。无线网络最复杂的地方是微处理器使用的软件栈。这最后一部分的设计会让许多射频设计超出标准。

麦瑞已利用MICRF505 FSK收发器芯片使通用型C源代码成为了用于调频扩频技术（FHSS）的FCC 15.247兼容式协议。 该软件名为MicrelNet，调制方案采用FHSS，带宽为250KHz，跳频为25。MICRF505芯片配备板载功率放大器 （PA），无需外部传送/接收开关即可实现-3dBm到+10dBm的信号强度至天线的传输。使用设置为10dBm的MICRF505的板载功率放大器，在200米以内，数据传输速率即可轻松达到9.6Kbps。

图5给出了FHSS系统中的各载波频率。所有节点均同步运行，以实现跳频。如有频率出现故障或被占用，系统将跳至下一频率获取信息。软件栈最终负责重组节点间发送的数据包。可根据MicrelNet中的IP地址方案轻松识别数据包的源地址和目标地址类型格式。软件CRC用于确保数据传输安全。

图5：跳频扩频技术（FHSS）

FCC 15.247可使FHSS无线电设备以915MHz的频率运行时输出功率达到250mW，相当于以24dBm的信号强度传输至电阻为50ohm的天线内。如果再配备外部功率放大器和传送/接收开关，MICRF505收发器的芯片功率可达250mW。在视线应用中，当输出功率为250mW时，MICRF505的覆盖范围可达2公里，数据传输速率将达到10Kbps左右。

MicrelNet代码栈可使用8位微处理器以8KByte的速度运行。现在新增了许多工业无线网络，来增强现有的由每个节点上的小型低功率微处理器控制的RS232型网络。由于小型低功率微处理器的闪存大小有限，往往不能选择添加大段代码。MicreNet的代码为8Kbyte，比相应的802.11 WLAN（1MByte）或ZigBee（32K–70KByte） 的要小得多。

MicrelNet在树状网络中运行，网络主机能够与从属节点达65，000的网络中的其它主机通信。这与ZigBee类似，但ZigBee属于在任何节点间均可实现相互通信的网状网络。网状网络适用于MICRF505，但需要额外的软件资源，类似于为部署ZigBee所讨论的资源。图6展示了各种无线网络的拓扑结构及其支持的节点数量。

图6：多种网络示例

在无线工业网络中，哪种类型的网络能够取胜最终取决于其具体应用和环境。频率、协议和功耗均会影响数据传输的范围、系统资源和解决方案的最终成本，因此，它们是决策过程中的关键元素。

802.11、ZigBee等协议和专线方案（如 MicrelNet）均可共存。图6所示“网关控制器”能够使各种无线网络在所有网络中最常见的网络——10/100铜缆以太网——中通信。这种网关控制器的其中一种已完成装配并已经过验证。

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