工業(yè)自動化網(wǎng)絡設計的低功耗無線網(wǎng)絡協(xié)議介紹

低功耗正在成為工業(yè)自動化網(wǎng)絡設計和實施中越來越重要的因素，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)自動化中的關(guān)鍵設計問題，但由于幾個原因，低功耗設計在過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(tǒng)，因此控制器和無線系統(tǒng)的功耗增加。這相當于全世界數(shù)百萬美元，削減這項法案是石油價格如此之高的關(guān)鍵焦點。許多工業(yè)用戶的關(guān)稅依賴于電力的可用性，并且可以在需求增加時減少供應，使得能夠以更低的功率運行。

無線技術(shù)可以通過多種方式降低功耗。通過低功耗芯片，適當?shù)膮f(xié)議和功耗感知軟件降低無線收發(fā)器的功耗可以幫助降低直接成本。此外，無線控制器還可以在工廠車間周圍使用，以控制加熱，照明和高壓空調(diào)的水平，具體取決于當時的活動和人員配備水平。這可以大大降低設施的總體直接功耗。

還有其他驅(qū)動器可以降低功耗。設計和制造收發(fā)器芯片的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在將無線設備和模塊帶入能量收集的能力范圍內(nèi)。這意味著從環(huán)境中清除的功率 - 通常來自振動或工廠車間的溫度 - 可用于為傳感器和無線鏈路供電，而無需定期更換電池。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法訪問的大量位置。這樣可以在故障導致生產(chǎn)線停止之前對設備進行更密切的監(jiān)控，修復或更換。無線傳感器的使用也為工業(yè)客戶帶來了直接的成本節(jié)約。但是，在降低無線系統(tǒng)功耗時，要通過降低收發(fā)器功率或使用固有的低功耗拓撲（如網(wǎng)狀網(wǎng)絡）來解決問題。根據(jù)數(shù)據(jù)速率，延遲和網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離，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(zhàn)。

越來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(nèi)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(guī)模經(jīng)濟中受益，系統(tǒng)集成商可提供多種設備和模塊供您選擇。然而，這是一個擁擠的頻譜帶，對來自同一消費者和企業(yè)系統(tǒng)以及微波和其他發(fā)射的干擾很敏感。許多協(xié)議沒有針對實時數(shù)據(jù)進行優(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(shù)據(jù)包，也會增加功耗。

其他無線協(xié)議是通過專有方法或現(xiàn)有工業(yè)標準開發(fā)的。例如，Cyan Technology開發(fā)了自己的CyNet網(wǎng)狀網(wǎng)絡，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)絡中的鏈路設備。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有低功耗的關(guān)鍵優(yōu)勢，但在數(shù)據(jù)吞吐量和延遲方面存在其他問題。網(wǎng)狀網(wǎng)絡使用每個節(jié)點將消息轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點，直到消息到達其目的地。這意味著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(shù)據(jù)可能必須跳幾次才能到達目的地，從而增加延遲。每個節(jié)點還必須處理兩組數(shù)據(jù)流量，將可用帶寬減半。這可以通過來自傳感器和監(jiān)測設備的小數(shù)據(jù)包來補償。這通常不是問題，但延遲效應是。 WirelessHART使用2.4 GHz頻段為仍然使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)提供更高的吞吐量和所需的延遲，以保持低功耗和節(jié)點成本。

SP100.11a

WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡

SP100.11a使用與WirelessHART相同的協(xié)議，但它是一種開放標準，支持多種協(xié)議，包括單個無線基礎設施上的Profibus。它旨在支持工廠自動化應用程序的性能級別，而不僅僅是過程控制，并且是ANSI標準。

GHz ISM

Atmel的AT86RF230-ZU是專為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(tǒng)（見下文）。

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到天線設計，除了片上集成的天線，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。它集成了模擬無線電收發(fā)器和數(shù)字解調(diào)，包括時間和頻率同步和數(shù)據(jù)緩沖，只需要一個天線，一個晶體和四個去耦電容。雙向差分天線引腳用于發(fā)送和接收，因此不需要外部天線開關(guān)。

接收到的RF信號通過差分線路通過低噪聲放大器（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(zhuǎn)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驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）并產(chǎn)生數(shù)字信號，然后由數(shù)字基帶接收器采樣。

對于傳輸，器件使用在數(shù)字發(fā)送器中生成的偏移-QPSK（O-QPSK）調(diào)制，然后饋送到功率放大器，而內(nèi)部128字節(jié)RAM緩沖要發(fā)送的數(shù)據(jù)或接收的數(shù)據(jù)。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(tǒng)（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(nèi)置的無晶體USB接口，它可以構(gòu)建USB加密狗或USB可升級網(wǎng)絡節(jié)點，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(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8 KB RAM相結(jié)合。對于需要超低功耗的系統(tǒng)，它還具有各種操作模式，并且操作模式之間的短轉(zhuǎn)換時間進一步確保了低能耗。

CC2531 Zigbee集成收發(fā)器USB SoC

藍牙

藍牙現(xiàn)在也正在成為工業(yè)自動化的可行技術(shù)。該標準的最新版本Bluetooth v4.0向核心規(guī)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(shù)月甚至數(shù)年。

隨著這項技術(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，可提供長達1，000米的藍牙連接。 25 mm x 35 mm模塊通過串行數(shù)據(jù)端口連接到高性能集成藍牙天線。除了采用完全認可的嵌入式藍牙協(xié)議棧外，該模塊還包括一個全面的AT風格界面，可將應用程序的開發(fā)時間從數(shù)月縮短至數(shù)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站點上，這將特別有用。

Laird Technologies的BISM2長距離藍牙模塊

WirelessHART

根據(jù)IEEE802.15.4的規(guī)定，2.4 GHz ISM頻段分為16個非重疊頻道。 WirelessHART使用偽隨機信道跳頻序列來降低與其他網(wǎng)絡（尤其是Wi-Fi）干擾的可能性。信道跳變意味著設備不會固定在IEEE802.11b/g網(wǎng)絡正在使用的信道上很長一段時間。使用時分多址（TDMA）協(xié)議可確保在任何給定時間只有一個設備在通道上通話，從而防止消息沖突并通過使用10 ms時隙來提供定義的延遲。

WirelessHART使用帶有10 dB放大器的2.4 GHz無線電，允許最多200 m的通信到下一個節(jié)點，這又可以作為路由器沿著網(wǎng)格傳遞消息。當不需要全距離時，節(jié)點可以以較低功率發(fā)送以減少干擾其他網(wǎng)絡的機會。

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頻率范圍內(nèi)。具有正確解碼信息的設備可以接收數(shù)據(jù)，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重疊的無線電信號。

6LoWPAN

與此同時，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低功耗無線個域網(wǎng)已定義了封裝和報頭定義，允許通過IEEE 802.15.4網(wǎng)絡（如Zigbee）發(fā)送IPv6數(shù)據(jù)包，以便可以在更廣泛的Internet上使用這些數(shù)據(jù)包。

6LoWPAN的目標是低功率無線電通信，數(shù)據(jù)速率較低，外形非常有限，工業(yè)自動化是關(guān)鍵領(lǐng)域。通過指定在不同網(wǎng)絡上發(fā)送相同分組的方式，轉(zhuǎn)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，但它會直接影響無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)的處理要求和數(shù)據(jù)包大小，從而影響每個節(jié)點的功耗。

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，從而提供顯著的功率優(yōu)勢。這些較低的頻段不一定能攜帶大量數(shù)據(jù)，但這不是工業(yè)自動化的問題。使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，使用這些較低頻段的設備可以顯著降低功耗。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)絡和過程控制。

設備中的所有主要RF通信參數(shù)都是可編程的，其中大部分都可以動態(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(jiān)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(shù)量和系統(tǒng)成本，同時仍滿足ETSI和FCC規(guī)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和簡單的開關(guān)OOK幅度調(diào)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