怎樣選擇適合您應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)？

　　數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸有多種方法。從簡(jiǎn)單的指令和控制方案，如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）和車庫(kù)開門裝置到無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等等。本文旨在介紹各種可用方案及其中存在的必須應(yīng)對(duì)的局限性， 以期為設(shè)計(jì)師提供一些實(shí)用信息，供其在為工業(yè)應(yīng)用選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用。

　　汽車等設(shè)備上用來(lái)鎖定和打開車門的遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)就是簡(jiǎn)單的指令和控制應(yīng)用的一個(gè)非常典型的例子。在遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）應(yīng)用中，指令通過(guò)遙控鑰匙發(fā)送至汽車信號(hào)接收器。適當(dāng)?shù)亟邮盏街噶詈螅嚰磿?huì)相應(yīng)鎖定或解鎖。

　　類似汽車中安裝的接收器理論上可以接收任何類似型號(hào)的遙控鑰匙發(fā)送的數(shù)據(jù)包。然而，汽車只能接收專門為其指定的遙控鑰匙發(fā)送的指令。滾動(dòng)碼生成器和安全加密等協(xié)議通常用于從遙控鑰匙將唯一的ID傳輸至汽車。這樣一來(lái)，您的遙控鑰匙就無(wú)法打開您朋友的類似型號(hào)的汽車，反之亦然，從而確保汽車的安全。

　　對(duì)于汽車遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE），遙控鑰匙操作人員通常會(huì)聽到鎖具被鎖定的聲音。如果沒有聽到“咔嚓”聲，操作員只需再次按下按鈕，從而通過(guò)人機(jī)交互完成遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE） 應(yīng)用中的反饋環(huán)節(jié)。如果沒有聽到汽車解鎖的聲音，就需要再次按下按鈕，直至聽到解鎖聲。

　　圖1：遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）應(yīng)用

　　很多工業(yè)應(yīng)用都需要傳輸指令和控制數(shù)據(jù)。從傳感器發(fā)送將溫度指示到主機(jī)就是一個(gè)例子。工業(yè)應(yīng)用和遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（PKE）之間的差異是：工業(yè)應(yīng)用中無(wú)需人員介入判斷是否真正收到了溫度指示。

　　需要確認(rèn)數(shù)據(jù)的接收意味著存在雙向網(wǎng)絡(luò)。隨著融入更多致動(dòng)器、開關(guān)和電機(jī)需求的出現(xiàn)，系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)立即增加。因此，由于應(yīng)用中需要確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已實(shí)際送達(dá)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常不會(huì)使用簡(jiǎn)單的單向遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）網(wǎng)絡(luò)。

　　工業(yè)無(wú)線解決方案的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上基本都有一個(gè)微控制器。微控制器會(huì)通過(guò)接口連接至溫度傳感器和致動(dòng)器等實(shí)體設(shè)備，來(lái)讀取或?qū)懭胨鼈兊臄?shù)據(jù)。同時(shí)，微控制器還需負(fù)責(zé)管理射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。協(xié)議的選擇取決于多種因素。選擇最佳解決方案的因素包括：數(shù)據(jù)傳輸范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的復(fù)雜度。

　　ZigBee 最近受到了大量關(guān)注。作為標(biāo)準(zhǔn)解決方案，ZigBee或802.15.4最初被視為許多低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信應(yīng)用的最佳選擇。但是，它真的適用于所有應(yīng)用嗎？當(dāng)然不是。在有些情況下，802.11 WLAN非常適用于高數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸。同樣，有些應(yīng)用需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍和電池壽命。簡(jiǎn)言之，具體架構(gòu)決定著特定應(yīng)用所需的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型。

　　在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，如果數(shù)據(jù)傳輸速率增大，系統(tǒng)資源也會(huì)相應(yīng)增多。以802.11 WLAN為例，由于其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信所需的功耗和代碼大小，這些協(xié)議不能用于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用。典型的 802.11 WLAN節(jié)點(diǎn)所需的程序內(nèi)存高達(dá)1MB，還需要功能更強(qiáng)大的處理器來(lái)使單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。

　　802.11無(wú)線電附加系統(tǒng)處理器的功耗使其非常適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算應(yīng)用和信息回程，但便攜式節(jié)點(diǎn)需要大量功耗和系統(tǒng)資源才能使802.11 WLAN的節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。功耗大、代碼長(zhǎng)且昂貴的802.11 WLAN不適用于溫度、壓力和致動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等任務(wù)。

　　ZigBee 協(xié)議相對(duì)較輕巧，它的代碼空間為32-70KB，數(shù)據(jù)傳輸范圍適中，為10-100米。這些特點(diǎn)讓ZigBee成為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選。ZigBee的一大優(yōu)點(diǎn)是其“網(wǎng)狀”能力。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸；這樣一來(lái)，就算任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或掉線，信息也能順利傳輸至目的地。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包處理非常復(fù)雜，因此，所需的程序內(nèi)存較大。圖2給出了各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)代碼大小。

　　圖2：各射頻網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)資源

　　藍(lán)牙是工業(yè)應(yīng)用中常常會(huì)談到的另一種常見方案?？焖贋g覽上圖就能發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸范圍較短，代碼較大，再加上藍(lán)牙屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方案，就會(huì)立即判斷出它不適用于工業(yè)射頻應(yīng)用。

　　那么，專線網(wǎng)絡(luò)如何？專線網(wǎng)絡(luò)指不按特定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。通常采用915MHz ISM頻段（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）和2.4GHz頻段。有時(shí)，315MHz或433MHz的頻段也被用于指令和控制類應(yīng)用。當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)管要求通常會(huì)指定可用的頻率。

　　在射頻信號(hào)通過(guò)空氣傳輸?shù)倪^(guò)程中，其功率水平會(huì)與已傳輸?shù)木嚯x成反比、與頻率成正比而降低。自由空間路徑損耗公式如下所示，對(duì)應(yīng)的各頻率的路徑損耗與距離的關(guān)系如圖3所示。

　　設(shè)d = 距離（米）

　　l=波長(zhǎng)（米）

　　因此，在自由空間內(nèi)傳輸距離達(dá)到 100 米時(shí)，路徑損耗如下：

　　2.4GHz，80dB

　　915MHz，72dB（比運(yùn)行頻率為2.4GHz時(shí)路徑損耗小8dB）

　　433MHz，65dB（比運(yùn)行頻率為2.4GHz時(shí)路徑損耗小15dB）

　　在射頻系統(tǒng)中，接收到的信號(hào)等于發(fā)射功率加系統(tǒng)天線增益再減去路徑損耗，如下面的公式所示。

　　設(shè)R = 接收到的信號(hào)強(qiáng)度

　　Pt= 發(fā)射功率

　　Gant = 天線增益

　　L = 路徑損耗

　　如果一個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為 10dBm，系統(tǒng)天線增益為 0，在理想環(huán)境下的自由空間為 100 米，那么，它接收到的信號(hào)強(qiáng)度將為：

　　2.4GHz，-70dB

　　915MHz，-62dB

　　433MHz，-55dB

　　這表示，運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)接收器的靈敏度至少應(yīng)達(dá)到-70dB，才能在理想的自由空間環(huán)境下檢測(cè)到信號(hào)。

　　除了自由空間路徑損耗以外，傳輸信號(hào)也會(huì)因建筑物、植被和其它物體而衰減。接收器試圖對(duì)輸入射頻信號(hào)進(jìn)行解碼時(shí)也會(huì)受到多路徑和信號(hào)散射等其它因素的影響。哈他模型 （Hata Model） 等其它路徑損耗考慮了天線高出地面的距離和市區(qū)環(huán)境的影響帶來(lái)的損耗，這些模型能夠更真實(shí)地反映路徑損耗。大多數(shù)應(yīng)用中的實(shí)際路徑損耗值比圖3中給出的路徑損耗值大得多。有趣的是，路徑損耗會(huì)隨著頻率的增大而增大。這就是運(yùn)行頻率為 2.4GHz 的系統(tǒng)比運(yùn)行頻率為915MHz或433MHz 的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍小的原因。