工业自动化网络设计的低功耗无线网络协议介绍

低功耗正在成为工业自动化网络设计和实施中越来越重要的因素，并且有新的协议可用于帮助降低功耗和成本。

尽管人们认为功耗不是工业自动化中的关键设计问题，但由于几个原因，低功耗设计在过去几年中变得非常重要。首先是电力的明显成本。远程控制更多系统，因此控制器和无线系统的功耗增加。这相当于全世界数百万美元，削减这项法案是石油价格如此之高的关键焦点。许多工业用户的关税依赖于电力的可用性，并且可以在需求增加时减少供应，使得能够以更低的功率运行。

无线技术可以通过多种方式降低功耗。通过低功耗芯片，适当的协议和功耗感知软件降低无线收发器的功耗可以帮助降低直接成本。此外，无线控制器还可以在工厂车间周围使用，以控制加热，照明和高压空调的水平，具体取决于当时的活动和人员配备水平。这可以大大降低设施的总体直接功耗。

还有其他驱动器可以降低功耗。设计和制造收发器芯片的技术发展现在将无线设备和模块带入能量收集的能力范围内。这意味着从环境中清除的功率 - 通常来自振动或工厂车间的温度 - 可用于为传感器和无线链路供电，而无需定期更换电池。这样，如果传感器需要更换电缆或更换电池，则可以将传感器放置在以前无法访问的大量位置。这样可以在故障导致生产线停止之前对设备进行更密切的监控，修复或更换。无线传感器的使用也为工业客户带来了直接的成本节约。但是，在降低无线系统功耗时，要通过降低收发器功率或使用固有的低功耗拓扑（如网状网络）来解决问题。根据数据速率，延迟和网络节点之间的距离，还可以使用几种不同的协议。

还有多种频率可供选择，每种频率都有自己的优势和挑战。

越来越受欢迎的范围是未经许可的2.4 GHz，从蓝牙到Wi-Fi到Zigbee有许多不同的方法。标准组织正在开发这些技术的低功率版本，但是频带本身比其他更低频率本身更耗电。

由于该频率可在全球范围内使用并用于广泛的消费者和企业应用，因此收发器可从低成本的规模经济中受益，系统集成商可提供多种设备和模块供您选择。然而，这是一个拥挤的频谱带，对来自同一消费者和企业系统以及微波和其他发射的干扰很敏感。许多协议没有针对实时数据进行优化，使用最佳情况算法，并且如果由于干扰必须不断重新发送数据包，也会增加功耗。

其他无线协议是通过专有方法或现有工业标准开发的。例如，Cyan Technology开发了自己的CyNet网状网络，用于875 MHz频段的超低功率链路，而Hart已经将其用于WirelessHART的HARTbus协议扩展到网状网络中的链路设备。

网状网络具有低功耗的关键优势，但在数据吞吐量和延迟方面存在其他问题。网状网络使用每个节点将消息转发到下一个节点，直到消息到达其目的地。这意味着功率因此尺寸要求低得多，因为收发器只需要到达其最近的邻居。但是，数据可能必须跳几次才能到达目的地，从而增加延迟。每个节点还必须处理两组数据流量，将可用带宽减半。这可以通过来自传感器和监测设备的小数据包来补偿。这通常不是问题，但延迟效应是。 WirelessHART使用2.4 GHz频段为仍然使用网状网络的实时数据提供更高的吞吐量和所需的延迟，以保持低功耗和节点成本。

图1：WirelessHART网状网络。

SP100.11a使用与WirelessHART相同的协议，但它是一种开放标准，支持多种协议，包括单个无线基础设施上的Profibus。它旨在支持工厂自动化应用程序的性能级别，而不仅仅是过程控制，并且是ANSI标准。

2.4 GHz ISM

Atmel的AT86RF230-ZU是专为802.15.4和Zigbee设计的CMOS 2.4 GHz收发器，以及WirelessHART和SP100.11a协议。由于它工作在2.4 GHz空间，因此它也可用于使用6LoWPAN协议的系统（见下文）。

图2：Atmel的AT86RF230 2.4 GHz收发器支持Zigbee，WirelessHART，SP100.11a和6LoWPAN。

AT86RF230是一种真正的SPI到天线设计，除了片上集成的天线，晶体和去耦电容外，还有所有RF关键元件，可与Atmel的AVR系列等外部微控制器配合使用。它集成了模拟无线电收发器和数字解调，包括时间和频率同步和数据缓冲，只需要一个天线，一个晶体和四个去耦电容。双向差分天线引脚用于发送和接收，因此不需要外部天线开关。

接收到的RF信号通过差分线路通过低噪声放大器（LNA）馈送到RF滤波器（PPF），以产生复杂信号。该信号由混频器向下转换为中频，并馈送到集成通道滤波器。限幅放大器提供足够的增益来驱动模数转换器（ADC）并产生数字信号，然后由数字基带接收器采样。

对于传输，器件使用在数字发送器中生成的偏移-QPSK（O-QPSK）调制，然后馈送到功率放大器，而内部128字节RAM缓冲要发送的数据或接收的数据。这种组合提供-17 dBm至3 dBm的可编程输出功率，接收灵敏度为-101 dBm，链路预算为104 dB。

Zigbee

德州仪器（TI）用于Zigbee的CC2531低功耗SoC是一款支持USB的真正片上系统（SoC）解决方案，适用于IEEE 802.15.4和Zigbee应用，如工业控制。凭借内置的无晶体USB接口，它可以构建USB加密狗或USB可升级网络节点，总成本低。 CC2531将Chipcon的RF收发器的性能与行业标准的增强型32 MHz 8051微控制器，系统内可编程闪存和8 KB RAM相结合。对于需要超低功耗的系统，它还具有各种操作模式，并且操作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。

图3：CC2531 Zigbee集成收发器USB SoC。

蓝牙

蓝牙现在也正在成为工业自动化的可行技术。该标准的最新版本Bluetooth v4.0向核心规范引入了低能耗技术，使新设备能够在微型纽扣电池上运行数月甚至数年。

随着这项技术被多家供应商的安全和消费者应用所采用，成本在工业应用中变得极具吸引力，特别是在需要扩展范围链接的情况下。

莱尔德科技的BISM2蓝牙模块增加了功率放大器和低噪声信号放大器，可提供长达1，000米的蓝牙连接。 25 mm x 35 mm模块通过串行数据端口连接到高性能集成蓝牙天线。除了采用完全认可的嵌入式蓝牙协议栈外，该模块还包括一个全面的AT风格界面，可将应用程序的开发时间从数月缩短至数天。

集成功率放大器提供25 mW输出和功率控制，而低噪声放大器将接收灵敏度提高到优于-84.5 dBm以获得范围。如果设备和设备分布在整个站点上，这将特别有用。

图4：Laird Technologies的BISM2长距离蓝牙模块。

WirelessHART

根据IEEE802.15.4的规定，2.4 GHz ISM频段分为16个非重叠频道。 WirelessHART使用伪随机信道跳频序列来降低与其他网络（尤其是Wi-Fi）干扰的可能性。信道跳变意味着设备不会固定在IEEE802.11b/g网络正在使用的信道上很长一段时间。使用时分多址（TDMA）协议可确保在任何给定时间只有一个设备在通道上通话，从而防止消息冲突并通过使用10 ms时隙来提供定义的延迟。

WirelessHART使用带有10 dB放大器的2.4 GHz无线电，允许最多200 m的通信到下一个节点，这又可以作为路由器沿着网格传递消息。当不需要全距离时，节点可以以较低功率发送以减少干扰其他网络的机会。

它使用直接序列扩频（DSSS）提供大约8 dB的附加增益，其传输范围分布在所选信道的整个频率范围内。具有正确解码信息的设备可以接收数据，而其他设备将传输视为白噪声并忽略它。这允许接收和共存多个重叠的无线电信号。

6LoWPAN

与此同时，互联网工作组一直致力于使用IPv4和IPv6连接传感器和设备的更高级别协议。 6LoWPAN或IPv6低功耗无线个域网已定义了封装和报头定义，允许通过IEEE 802.15.4网络（如Zigbee）发送IPv6数据包，以便可以在更广泛的Internet上使用这些数据包。

6LoWPAN的目标是低功率无线电通信，数据速率较低，外形非常有限，工业自动化是关键领域。通过指定在不同网络上发送相同分组的方式，转换分组的需求较少，从而降低了复杂性，功耗和成本。

虽然这是一种更高级别的协议，但它会直接影响无线网络中实现的处理要求和数据包大小，从而影响每个节点的功耗。

其他ISM频段

2.4 GHz频段并非世界上唯一用于工业自动化的频段。其他较低的ISM频段具有相同功率预算的更大范围的优势，从而提供显着的功率优势。这些较低的频段不一定能携带大量数据，但这不是工业自动化的问题。使用网状网络拓扑结构，使用这些较低频段的设备可以显着降低功耗。然而，这些不是大批量应用，因此终端设备成本可能更高。这些频段中的设备也倾向于使用专有协议，从而限制了互操作性。

Semtech XE1205是一款低功耗，零中频集成收发器，工作在433/868/915 MHz ISM频段，可处理宽带和窄带链路，为使用工业协议提供关键优势网络和过程控制。

设备中的所有主要RF通信参数都是可编程的，其中大部分都可以动态设置。它可用于欧洲（ETSI EN 300-220-1），25 kHz信道间隔和北美（FCC第15部分）监管标准。

Semtech的TrueRF技术消除了对SAW滤波器的需求，减少了元件数量和系统成本，同时仍满足ETSI和FCC规定。

同样，Silicon Labs SI1012-A-GM是一款低功耗240至960 MHz收发器，集成了25 MHz 8051微控制器和12位ADC。

收发器支持FSK，GFSK和简单的开关OOK幅度调制，接收灵敏度为-121 dBm，输出功率为13 dBm。它在接收模式下使用18.5 mA，在短距离+1 dBm链路上使用18 mA。

图5：Silicon Labs Sl1012 240-960 MHz集成收发器

结论

频段和协议的选择对于降低无线链路的功率以及允许工业应用中的传感器网络通过能量收集提供动力至关重要。这种传感器网络的使用允许先发制人的维护和更密切的过程和设备监控，从而降低多个领域的成本，而不仅仅是电费。较低的ISM频段提供可接受的数据速率和低功率，特别是对于网状网络，但往往是专有的，而不是缩放以及其他方法。

虽然主流2.4 GHz频段遇到干扰，但新技术与网状网络和工业协议（如WirelessHART和开放式SP100.11a协议）等方法相结合，为该频段带来了更多可信度。大批量的Zigbee和蓝牙技术都推出了低功耗版本，只需较低的成本和互操作性，系统集成商就可以使用更多的供应商，这些产品具有较高的产量，可以在工业应用中推动更多的使用。随着设备，模块和标准组都在降低功耗，工业设备制造商拥有更广泛的选择范围，可以降低系统功耗并以多种方式降低成本。结果