怎样选择适合您应用的无线网络？

　　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。

　　

　　设d = 距离（米）

　　l=波长（米）

　　
 

　　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。

　　

　　设R = 接收到的信号强度

　　Pt= 发射功率

　　Gant = 天线增益

　　L = 路径损耗

　　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。