工业无线技术理论与应用（一）

菲尼克斯电气（南京）研发工程中心有限公司 张 龙，吴勇志

无线通信的发展历史可以追溯到19世纪80年代德国物理学家赫兹所做的基础性实验，以及意大利科学家马可尼所做的研究工作。1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在。移动通信的始祖马可尼首先实现了在英格兰海峡海上轮船之间进行远距离无线电通信的可行性。自从1897年马可尼实验室证明了运动中无线通信的可应用性以来，移动通信技术开始得到了不断的发展。20世纪20年代末，奈奎斯特提出了著名的采样定理，成为我们迈向数字化时代的金钥匙。在过去的十几年，无线移动通信的数字和射频电路制造技术取得了突破性进展，数字交换技术推动了移动通信网络的大规模发展。移动电话系统的发明，为生活的各个方面都带来了极其重大的改变和影响。如今，无线通信在人们的生活中已经无处不在。从收音机、电视广播站、无线电、卫星传输，到无线局域网应用中的手机，甚至在家庭中，无线应用都得到了越来越广泛地使用。

进入到21世纪以来，随着各种短距离无线技术的快速发展，无线技术开始应用到工业领域。特别是2005年以后，工业无线技术开始成为工控领域的热点，新产品新技术层出不穷，WLAN、ZigBee、蓝牙、RFID、无线传感器等各种无线技术和概念逐渐在工控界升温，工程师们与厂家探讨无线的优缺点和各种应用的可能性。工业无线技术逐渐成为继现场总线和工业以太网技术之后，工业自动化系统的又一次技术革新。

工业无线技术是面向工厂自动化和过程自动化设备间信息交互的无线通信技术。相对于有线系统，工业无线传输系统节省了电缆，简化了安装，大大降低了维护时间和停工时间，增加了系统的可用性，并因此提高了生产力。

根据IMS 2009年的预测，工业无线市场潜力巨大，未来五年工业无线应用将保持高速增长，预计2010年工业无线设备的安装数将突破一百万台，到2013年可达到四百万台，年平均增长率超过50%。

本连载将对应用在工厂自动化领域的无线技术作较深入的介绍和探讨。内容主要包括：工业无线技术的应用要求；无线技术基础知识；工业无线技术协议介绍；天线的设计和选择；无线网络规划；无线技术的安全性；工业无线应用实例等。

1 工业无线技术的应用要求

1.1 工业无线技术的优点

在工业环境中，用户经常遇到在某些恶劣条件下设备只能通过铜缆连接或者根本无法进行连接的情况。这种情况多发生在需要向运动、旋转或者移动着的设备传输数据的应用中。使用机械的方法难以满足数据传输质量的高要求，这是因为存在持续的机械损耗和相应的电缆磨损。

在过程工程系统中，由于距离太远或范围难以达到，从传感器中采集数据相当费力。而且为了在扩展系统中包含其他设备，水泥、供水系统和电力等行业运营时通常缺少通信基础设施。由于这些系统在最近几十年中的不断发展，问题通常来自老旧的电缆。使用无线I/O和无线串口可以免除高昂的电缆安装和故障维护费用。

在许多工业应用中，由于临时性或移动性等因素，通常只在一段时间内需要电气安装。因此每种特别应用下的电气设备都不得不拆卸后再重新安装。如果通过电缆传输来自传感器和自动化设备的数据，将会耗费大量的时间和金钱。电气连接部分的频繁连接和断开会导致更高的磨损率，从而引起故障。使用无线I/O和无线串口进行无线传输极大削减了这方面费用。

如果用户要运行一台大型机器或装置，或者需要对其进行维护，用户通常都希望能够自由移动功能单元而不受烦人的电缆影响。在这种应用中，无线串口和无线以太网是利用无线技术将笔记本、WebPAD或PDA等移动终端连接到系统网络的理想选择。无论何时何地，用户始终能够获得所有相关数据，从而提升工厂的可用性和生产力。

无线技术为临时安装提供了额外的优越性，例如那些需要频繁变动和改进的应用中。在对距离非常远或者难以访问的单独设备的应用中，无线技术也具有一定的优势。

无线技术的关键优点如下：

• 传输介质不受机械磨损的影响；

• 设备的可移动性或者自由运动；

• 大型的无线电场可以灵活地集成不同位置的设备；

• 远距离或者困难区域的桥接，例如街道或者地铁；

• 新设备或者临时设备可以自由接入。

1.2 使用无线技术的风险

在2.4GHZ或者5GHZ ISM波段范围内的无线技术可以被全球免费使用而不需要认可。这个优点同样也是一个缺点，因为任意多的设备，不论是本地的还是第三方的设备，都可以在同一时间使用这个传输介质（空气）。所有的设备都必须去分享有效的带宽。在使用公共介质时建议进行仔细地资源计划。仅仅是IEEE802.11b/g标准的一个信道就占用了80MHz ISM波段中的22MHz。采用蓝牙等技术能更为有效地使用频段。

当多个无线技术同时进行操作时，无线系统之间可能会产生干扰和冲突。下面的方法可以用来实现不同的无线技术的共存。

• 自适应跳频：检测出被其它无线技术使用的信道而不将其用于本地传输；

• 降低传输功率：传输功率下调到可以维持通信的水平；

• 无线电场规划：仔细选择天线，例如，平顶天线或者定向天线，可以将无线电场限制在所需区域内；

• 使用专门的信道：通过精心的无线电场规划来选择所使用的信道，使得在操作中不会有区域或信道间的重叠。

1.3 工业无线技术的应用要求

工业无线技术的应用场合和办公环境相比，存在很大的不同，如表1所示。

表1 工业／办公环境中的不同要求

工业无线系统的应用场合可简单地分为室内和户外两大类。室内应用包括楼宇、工厂自动化、机械自动化、仓储和物流等，信号传输在建筑物内，传输距离较短，尤其适合于移动设备之间或者移动设备与固定设备之间的数据传输。户外则主要是基础设施行业等，视野较开阔，传输距离较远。不同的应用场合对控制系统的要求对比如表2所示。

表2 不同应用场合的要求

1.4 工业无线技术的设计因素

对于用户和系统集成商来说，在设计无线系统时，需要考虑各种应用的控制要求和影响因素，合理规划无线网络，选择合适的无线技术和产品。主要包括以下方面：

• 能否满足对实时性要求较高的过程和自动化设备的要求？

• 数据量和传输链路带宽？

• 数据格式和任何必要的转换组件的透明度？

• 网络的拓扑结构和无线接入方式？

• 安全性和隐私性，未经授权的访问和加密解密？

• 传输的距离范围是多少？

• 环境条件的影响？

• EMC干扰？

• 与其它射频系统的共存规划？

• 集成到现有传输系统的兼容性？

• 诊断能力，相对可预测性的系统和数据处理？

• 建设成本和维护成本？

单一的无线技术很难满足各种不同应用场合的要求。因此在自动化金字塔架构的不同层次上，所采用的无线技术协议会有所不同。例如，菲尼克斯电气推出的工业无线解决方案，包含了三种主流的无线技术协议（Trusted Wireless，蓝 牙 和 WLAN），来实现从传感器一直到工厂网络的无线通信，涵盖了工业自动化应用的各个层级。

1.5 工业无线技术协议

工业领域无线技术应用的最重要的先决条件是无线应该具有与有线方式在恶劣条件下相同的可靠性和更高的灵活性。对于无线通信，数据通过电磁波在开放的立体空间内传输。这也正是无线容易受到屏蔽和干扰的原因。无线除了会受到屏蔽和干扰以外，还会在传播路径上发生反射、散射、衰减等现象。Trusted Wireless、蓝牙和WLAN采用跳频扩频或直序扩频工作方式，保证它们有效地避免上述干扰的影响。

在工业应用中，传输系统的可靠性是第一位的。包括Trusted Wireless、蓝牙、WLAN和ZigBee等无线技术已经在工业领域证明了它们的优势。

Trusted Wireless 是专为工业应用设计的无线技术，特别适用于实时信号的远距离传输。采用跳频扩频技术，具有很高的抗干扰能力。Trusted Wireless 具有的特点包括：典型传输距离3km，点对点系统最远可传输10km；小数据信号包循环传输；高密度网络使用；能与WLAN和蓝牙系统并行工作，且不相互干扰；无线路径易于建立；良好的诊断功能等。

WLAN 是基于IEEE 802.11标准的无线技术，它可以轻松地集成到IT和工业以太网网络中，特别适合多台设备或者PC的高数据速率传输。WLAN已经证明了其在工业领域中作为无线网络基础设施以及在移动传输系统控制方面的价值。WLAN的特点包括：最高数据传输速率可达54 Mbps；网络范围广；通过自动漫游实现网络设备的移动性；本地可同时覆盖三个无线网络等。

蓝牙（IEEE 802.15.1）是能够在金属环境和高干扰等级环境下进行非常可靠数据传输的标准化无线技术。蓝牙已经成为自动化网络中控制数据无线传输的标准，特别适合于在工业现场总线或者以太网网络中集成自动化部件。蓝牙的特点包括：小量数据包的周期性快速传输；允许多个蓝牙系统并行工作；与WLAN 网络可以无干扰地并行工作；接入保护和操作保护；工业厂房中覆盖范围广等。

ZigBee（IEEE802.15.4）是一种较新的无线标准，它规定了ISM频段中全球开放的无线网络标准的上层协议层，用于中等距离采用低传输功率的无授权的无线电网络，具有传输速率低、成本低、电流消耗最小等特征。

另外，还经常用到GSM和GPRS通信技术，用于远距离的数据传输。GSM（全球移动通信系统）是开放式的移动通信系统。该项技术最大的特点之一在于：可接入200多个国家的标准化网络。在全球范围内使用的 GSM 频率包括850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz。GSM的特点包括：无范围限制；按时计费；数据传输率高达14.4Kbps等。GPRS（通用分组无线业务）使用GSM电话网络交换小数据包。基于TCP/IP的GPRS连接具有以下优势：永久性连接，即避免了拨号操作；按数据流量计费；数据传输率高达85.6Kbps等。

2 无线技术基础

无线技术是一种基于电磁波的传播和接收的技术。这些电磁波不受任何磨损的影响，但是在传播、散射和反射方面具有不同方式的响应，这取决于它们的频率。电磁波的传播是三维的，并且具有不同的强度。尽管有很多因素影响电磁波的传播，但是，还没有一个因素能足以使信号不能安全地被接收器检测到。

无线技术所使用的频率受物理性质或国家法规的限制。根据传输功率，所使用的每个频率只能在发送器周围指定半径内使用一次。

表3 波长和频带

2.1 波的散射

每种电磁波根据自身的频率具有不同的散射性质。在无线局域网的波散射和可见光的波散射之间可以作一个简单的比较。

每种材料都有与频率相关的衰减，每种材料表面都可以弯曲、反射、折射、吸收或散射任何一种电磁波。这意味着在数据传输时要考虑发送器和接收器之间的任何一种障碍。

图1 波的散射——到达接收器的多条路径

发射波会受到各种障碍的影响，例如地面、天花板、机器、人员或者车辆，然后以多种不同的路径到达接收器。接收到的波就强度，相位关系和信号运行时间来区分。重叠是指接收到的信号被放大或者减弱。接收器必须选择最佳信号，同时从不同路径到达的信号必须不能引起任何问题。波的重叠及其对信号产生的影响就是众所周知的干扰。由于干扰的原因很难被确定并且经常是不能预防的，因此开发出带有天线分集的接收器，用以帮助解决这个问题。在这种解决方案中，接收器含有两个接收天线，它们之间的距离约四分之一波长。这样，其中的一个天线几乎总能接收到高质量的信号。在图2中，尽管天线2不能接收到有用的信号，但是天线1可以接收到强信号。

图2 天线分集

图3 描绘了在一个关闭房间中信号强度真实的分布情况。该图像显示了从上方的视图，其中，信号强的区域是深色，信号弱或者无信号的区域是浅色。如果设备的接收天线在浅色区域，将不可能进行通信。

图3 一个关闭房间中的信号强度的真实分布

右上方具有强信号的条带形是由一扇打开的门引起的，左下方的衰减程度大的区域是由金属控制柜引起的。

2.2 自由空间传播模型

自由空间传播模型的重点一般是在给定发射机距离的路径下预测出接收信号的平均强度，以及接近一个方位点上的信号强度的变化。对任意发射机-接收机间的平均信号强度进行预测的传播模型，其在估算发射机距离方面极为有用，该模型可对无线传输的距离进行估算。

当发射机和接收机之间具有一条畅通无阻的可视路径时，自由空间（自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射）。传播模型可对接收信号的强度进行预测。自由空间传播模型会做出这样的预测：接收信号强度“衰减”为发射机-接收机间隔距离的函数（幂函数），接收机天线所接收到的自由空间功率与发射天线隔开一段距离，自由空间中，距发射机d处天线的接收功率由Friis公式给出：

其中，Pt为发射机功率，Pr(d)为接收功率，为T-R距离的函数，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，d为T-R间距离，单位为m，L是与传播无关的系统损耗因子（L≥1），λ为波长，单位为m。

由自由空间方程式（1）可知，发射机功率随T-R距离的平方而衰减，接收功率不断下降。这一结果表明接收功率随着距离的增加将以 20 dB/十倍程的速率衰减。

在对无线传输距离进行估算时重要的一项是路径损耗，路径损耗以 dB 为单位，表示信号衰减程度。路径损耗为以 dB 为单位计量的发射机天线功率与接收机天线功率之间的差分，可以包括也可以不包括天线的增益。当包括天线增益时，自由空间路径损耗为：

当不包括天线增益时，假设天线具有单位增益，其路径损耗为：

Friis自由空间模型仅当d为发射天线远场Pr时适用，天线的远场或Fraunhofer区定义为超过远场距离 的地区，与发射天线截面的最大线性尺寸和载波波长有关，Fraunhofer距离为：

其中 D 为天线最大物理线性尺寸，且 ＞ D和 ＞λ，并且必须处于远场内。这一路径损耗公式仅适用于可视路径畅通无阻的理想化系统。

传播模型将近场距离d0作为接收功率的参考点。在任何大于与Pr(d0)相关的接收功率参考点的距离的情况下，计算接收功率Pr(d)，Pr(d0)的值可以通过方程式1得出。也可以通过邻近发射机的许多点上求取平均接收功率，测算出无线通信环境下的值，必须选择一个近距参考距离，从而使远场区大于近场距离，自由空间的接收功率为：

大部分射频功率电平以dBm（毫瓦分贝）或dBW(瓦分贝)为单位，而不仅仅是绝对功率电平。式5可以表示为以dBm或dBW为单位，只要公式两边均乘以10，如Pr的单位为dBm，接受功率为：

其中，Pr(d0)的单位为W。

2.3 无线电波的衰减

衰减是介质中信号输出的损失程度。衰减和频率有很强的关系并且只能通过测量仪器得到。衰减的单位是“dB”（分贝）。分贝值越小，衰减就越小。

分贝值表明了两个值之间的对数关系，这样通过对单个的衰减/增益值进行简单的加法运算就可以确定输链中的增益/衰减。

单位dB是一个因子，不能提供有关绝对值的信息。

绝对值（水平）的规定与一个固定的参考变量相关。为了显示相关水平所参考的参考变量，在dB后加一个字母加以识别。（除了声压数据，例如dBa，它还要考虑到人的听力）。常用的变量有dBm，dBu，dBi。因此水平指标通过和参考变量进行大小比较从而显示因子。例如：

同样，每个绝对值都可以转化为水平。例如：

电磁波通过介质传输时会产生衰减。甚至在空气中也可以减弱无线电信号。通过空气介质而呈指数增加的衰减被称之为自由空间衰减。在清晰的菲涅尔区，自由空间衰减可以用下式计算：

自由空间衰减=32.4+20×log(频率MHZ)+20×log(距离km)

在2.4GHZ ISM频段，为了简化计算，表达式“32.4+20×log 2400MHz”可以由常量100来替代。

表4 在ISM 2.4GHZ频段中的自由空间衰减

无线电信号会受障碍物及其表面的影响。在室外安装中，雨、雪、表面湿度等这些可变因素也对无线电信号起影响作用。

图4 对无线电信号的影响

表5列出了典型障碍物的推荐值。另外，一些因素会对无线电波的实际衰减产生相当大的影响，例如，墙壁、树叶的湿物或者混凝土加强物的类型和实现方式。除此之外，衰减程度还取决于无线电波与障碍物相遇的角度（入射角）。

图5 入射的角度和衰减

表5 材料特定的衰减 （推荐值）

2.4 天线增益

天线增益是和全向性天线相比的信号强度增益的量度。全向性天线是一种理想天线，它在每个方向上都具有相同的性质。全向性天线的增益是0 dBi EIRP（等效全向辐射功率），面板型天线增益是10dBi。

图6 天线特性

在计算无线路径时必须考虑到在无线电收发器路径上的所有衰减和增益。必须清楚知道所有组成部分相关频率范围的传输性质。

例如，对于2.4 GHZ ISM 频带的通信路径，对所有的值进行相加（增益是正值，衰减是负值），如表6所示：

表6 组成部分相关频率范围的传输性质表

接收器预留应大于10dB，否则将出现传输错误。因为无线连接遵循802.11b标准，所以下面降低数据传输率是为非最佳的无线路径规定的（补偿公差应大于2dB）。

802.11b标准需要的接收器预留（SNR）：

传输速度11Mbps时：8 dB

传输速度5.5Mbps时：4 dB

传输速度2Mbps时：2 dB

传输速度1Mbps时：0 dB

根据接收器预留在表7中列出了传输质量的指导值（在最大传输速度下）。这个值取自于经验，并没有把降低数据传输率考虑进去。实际的无线路径可能会有不同。

表7 接收器预留和传输质量

表8 取决于频率和距离的菲涅尔区

2.5 菲涅尔区

为了达到最佳的无线连接，需要一个飞艇形状的自由区域，即菲涅尔区。如果菲涅尔区完全清晰，通常的公式只能用于计算自由空间衰减。通常，菲涅尔区只在室外应用时考虑，但是它同样适用于室内装置。然而，菲涅尔区很少用在室内，因为室内距离短，且其它因素会大大影响范围。

图7 菲涅尔区

图8 菲涅尔区曲线

为了确定所需天线的高度，必须确定天线间的距离。表7可以用来确定菲涅尔区的直径。如果距离很大，就必须考虑到大地的曲率。

天线的高度计算如下：最高障碍物的高度+菲涅尔区的直径/2+大地曲率。例如：

• 天线间的距离：5km

• 使用的频带：5 GHz频带

• 最高障碍物的高度：8m

下面的值可以从表中得到：

• 菲涅尔区直径：16.7m，所以半径大约是8.4m

• 相应的大地曲率：0.5m

下面是天线高度的计算：

天线高度=8m（障碍物）+8.4m（菲涅尔区）+0.5m（地球曲率）=16.9m

如果无法达到确定的天线高度，自由空间衰减的计算公式将不能使用。传输路径的更高的实际衰减应由测量仪器来求得。