關(guān)于自動化系統(tǒng)的無線通信標準介紹

當初的無線網(wǎng)是作為有線以太網(wǎng)的一種補充，遵循了IEEE802.3標準，使直接架構(gòu)于802.3上的無線網(wǎng)產(chǎn)品存在著易受其他微波噪聲干擾,性能不穩(wěn)定,傳輸速率低且不易升級等弱點,不同廠商的產(chǎn)品相互也不兼容,這一切都限制了無線網(wǎng)的進一步應(yīng)用。

自動化領(lǐng)域正在從有線連接過渡到無線連接。系統(tǒng)的無線控制是物聯(lián)網(wǎng)(IOT)世界的重要組成部分。這種自動化和連接性是IP地址擴展到IPv6的基礎(chǔ)，因此所有內(nèi)容都可以獨立連接到網(wǎng)絡(luò)。自動化系統(tǒng)具有許多不同的無線標準，設(shè)備可以與之通信。關(guān)鍵是要了解什么類型的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)將要傳輸?shù)臄?shù)量，以及數(shù)據(jù)需要多快和可用的速度。

通信分區(qū)

對于所有自動化系統(tǒng)，無論是單個功能還是通過中央處理器或FPGA處理多個功能的系統(tǒng)，外部通信都需要分區(qū)方案。通信功能與標準內(nèi)存管理和標準I/O分開。分離是由于通信是結(jié)構(gòu)化同步事件，而大多數(shù)自動化I/O源自控制反饋環(huán)路并且通常是異步的。使用的塊是處理數(shù)據(jù)準備和協(xié)議的傳統(tǒng)數(shù)字MCU部分; DAC和ADC，用于在數(shù)字和模擬形式之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以便通過天線系統(tǒng)發(fā)送;以及用于驅(qū)動天線系統(tǒng)的RF收發(fā)器。

邊界和內(nèi)部/外部組件因供應(yīng)商而異。主要分區(qū)約束之一取決于無線協(xié)議的選擇。從歷史上看，433 MHz ISM頻段(車庫門開啟器等)和較低頻率(13.3 MHz，27.2 MHz)的專用RF使用了專有協(xié)議。為了與傳統(tǒng)項目兼容，這些RF接口仍可從Linx Technologies的Digi-Key(搜索“RF接收器，發(fā)送器和收發(fā)器完成單元”)獲得，作為發(fā)送器(參見圖1)和接收器模塊。這些系統(tǒng)利用低數(shù)據(jù)速率(低于19 kbps)和低數(shù)據(jù)量。

圖1：Linx Technology無線“密鑰卡”發(fā)送器

大多數(shù)新的無線系統(tǒng)都有許多高速數(shù)字標準可供選擇，其中傳遞的數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)決定了協(xié)議的選擇。 Digi-Key提供的主要選擇包括Zigbee®(IEEE 802.15.4)，Bluetooth®(Bluetooth SIG支持)，Wi-Fi(IEEE 802.11 a/b/g/n)和蜂窩(CDMA，HSDPA，GSM，EDGE，GPRS)。蜂窩系統(tǒng)主要用于M2M(機器到機器)網(wǎng)絡(luò)。

這些產(chǎn)品支持的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基于數(shù)字分組數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)有系統(tǒng)的很大比例，如報警/安全系統(tǒng)，自動柜員機，信息亭，POS終端和工業(yè)自動化，都是為模擬電話通信而設(shè)計的。隨著陸地線路的可用性萎縮以及對數(shù)字數(shù)據(jù)結(jié)果的需求不斷增長，這些系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)向無線。這些系統(tǒng)的設(shè)計分區(qū)很簡單，因為模擬調(diào)制解調(diào)器接口系統(tǒng)有外部改造，無論是獨立還是嵌入式。圖2顯示了Multi-Tech Systems，Inc。的Multiconnect™AW模擬到無線轉(zhuǎn)換器。該外部轉(zhuǎn)換器通過RJ11連接與模擬調(diào)制解調(diào)器連接，支持多個RS232連接，并集成了嵌入式閃存。閃存允許現(xiàn)場升級和修改調(diào)制解調(diào)器和蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接。該解決方案保留了系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)計分區(qū)，并且僅需要對網(wǎng)絡(luò)的無線方面進行鑒定。

圖2：Multi-Tech MultiConnect AW模擬到無線套件

數(shù)據(jù)接口和應(yīng)用程序

自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口正在不斷發(fā)展。歷史上，系統(tǒng)通過時間戳作為信息集傳遞簡單的錯誤代碼和狀態(tài)代碼。這些代碼將轉(zhuǎn)到另一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有代碼之間的轉(zhuǎn)換表和代碼的解釋。這允許自動化系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)之間的“最輕”的電線連接。通過無線通信，大大降低了自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量，物理接近度和物流成本，從而允許更改正在發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型。

新設(shè)計解決無線網(wǎng)絡(luò)的最簡單方法是通過串行端口連接到完成的無線電子系統(tǒng)。標準串行端口(RS232)和USB有許多選擇。這允許現(xiàn)有的架構(gòu)系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的點對點有線連接提供數(shù)據(jù)，狀態(tài)和M2M連接，以保持不變。外部無線電套件可以簡單地連接到端口，套件可以處理IP握手，數(shù)據(jù)格式化和模擬子系統(tǒng)功能。

藍牙是一種流行的短距離雙設(shè)備連接協(xié)議。雖然它主要被稱為手機耳機的協(xié)議，但通信規(guī)范實際上支持通用數(shù)據(jù)應(yīng)用。該系統(tǒng)對于與短距離接收器和/或移動設(shè)備和計算機的通信特別有用，用于跟蹤自動化設(shè)備的狀態(tài)。藍牙支持兩類 - 當前規(guī)格下的Class 1最多可達30米，Class 2最高可達10米。當前版本2.x規(guī)范支持高達2.1 Mbps的短突發(fā)數(shù)據(jù)，實際數(shù)據(jù)傳輸速率為幾百kbps。這些傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集通常在字節(jié)到千字節(jié)范圍內(nèi)。整個系統(tǒng)往往在2%的功能工作循環(huán)下運行。完成的USB子系統(tǒng)的示例是Laird Technologies的BRBLU03-010AC和Roving Networks的RN-270M USB藍牙2.0適配器(參見圖3)。藍牙網(wǎng)絡(luò)支持擴展范圍和信號聚合應(yīng)用的收發(fā)器和接入點。

圖3：Roving Networks藍牙收發(fā)器

如果需要多個點對點連接，Zigbee環(huán)境支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種多點對點網(wǎng)絡(luò)，允許通過相鄰設(shè)備(在3D空間，多層設(shè)施以及同一樓層)將數(shù)據(jù)中繼回中央網(wǎng)絡(luò)核心。該網(wǎng)絡(luò)支持WPAN適配器，接入點和模塊，開發(fā)人員套件，網(wǎng)絡(luò)擴展器，傳感器和網(wǎng)關(guān)。典型應(yīng)用如圖4所示，其中安裝了Digi XBee™/XBee-Pro™環(huán)境。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)以250 kbps的數(shù)據(jù)速率支持長達1英里的無線距離。該網(wǎng)絡(luò)支持高占空比流量，包括狀態(tài)，ID和錯誤代碼，以及收集指標和環(huán)境傳感器的結(jié)果。該協(xié)議支持在網(wǎng)狀網(wǎng)上同時通話的多個設(shè)備以及多個接口 - RS-232，RS-485，全雙工和半雙工RS-422以及USB。

圖4：Digi XBee-Pro ZB適配器使用配置

家庭和工業(yè)自動化領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)連接選項是銅纜以太網(wǎng)或EtherCAT。它們具有明確定義的高速數(shù)據(jù)端口，通常通過RJ45連接器連接，并在高占空比(超過60%)下以1 Mbps至600 Mbps的數(shù)據(jù)范圍運行。因此，將這些轉(zhuǎn)換為Wi-Fi(基于802.11的連接)非常簡單，通常不會影響性能。這些網(wǎng)絡(luò)可以支持中距離，標稱70米室內(nèi)/250米室外;在美國的特殊FCC許可下，您可以在3.6 GHz高功率下運行802.11a，最長可達5000米。協(xié)議的a/b/g版本僅支持一個天線和一個用于數(shù)據(jù)流的收發(fā)器。這些支持1 Mbps至54 Mbps的數(shù)據(jù)速率。 802.11n版本的協(xié)議支持多達四個同步輸入/輸出(MIMO)，每個數(shù)據(jù)流最高可達150 Mbps。

與Zigbee系統(tǒng)一樣，這些Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)包括收發(fā)器，網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)橋，接入點，擴展器和開發(fā)套件。完整的改造解決方案，如Qualtech Airborne工業(yè)無線以太網(wǎng)解決方案型號ABDG-ET-IN5010，可提供RJ45接口或RS232串行接口，用于802.11b/g網(wǎng)絡(luò)。這些裝置目前可用于802.11a/b/g的單天線驅(qū)動系統(tǒng)。未來幾年將有更新的設(shè)計可用于支持802.11n的MIMO環(huán)境。

由于這些選項代表了對當前有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改進，因此系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是無線配置的管理。這些系統(tǒng)可以遠程升級，實現(xiàn)遠程訪問控制，配置和數(shù)據(jù)記錄。 Qualtech等產(chǎn)品為企業(yè)方提供了一個通用的管理軟件平臺，可以控制其產(chǎn)品系列，與自動化側(cè)連接(有線，RJ45，RS232，USB或其他引腳排列)無關(guān)。它們通常是基于Windows的系統(tǒng)，如機載管理中心(AMC)，如圖5所示，其GUI可以具有較短的學習曲線。

圖5：Qualtech空降管理中心

嵌入式無線選項

對于具有空間和功率限制的新設(shè)計，外部子系統(tǒng)不是一個實用的解決方案。在這種情況下，建議使用DAC到前端模塊(FEM)或mux/PA/濾波器的數(shù)字接口。這將通過匹配的，面向相反的設(shè)置處理系統(tǒng)的發(fā)送側(cè)，該設(shè)置將進入接收側(cè)所需的ADC。公共天線用于接收器和發(fā)射器對。

前端模塊的復雜程度取決于要處理的網(wǎng)絡(luò)選項的數(shù)量。它們可以是簡單的單向輸出，這需要兩個部分才能完成連接。一個例子是Microchip的SST12LF02 FEM(見圖6)，它只是一個LNA/PA，一個濾波器和一個開關(guān)。該交換機支持到天線的側(cè)旁路通道，以便在與2.4 GHz LNA相同的頻段上實現(xiàn)藍牙連接。

圖6：SST12LF02 FEM框圖

下一步是單波段2.4 GHz 802.11b/g/n和BT收發(fā)器模塊，如SiGe半導體/Skyworks解決方案部件號SE2613T(見圖7)，它具有功率檢測器，諧波濾波器，開關(guān)/多路復用器，LNA，PA以及相關(guān)的通道/設(shè)備匹配。

圖7：Skyworks Solutions單頻帶FEM框圖

高端有限元法一直到Skyplex Solutions SE2595L等多波段MIMO兼容(802.11n雙頻段)模塊(見圖8)。這些模塊包含一個發(fā)送和一個接收路徑架構(gòu)，用作MIMO構(gòu)建塊，所有RF端口匹配50歐姆。它們包括集成的2.4/5 GHz PA，2.4/5 GHz LNA，TX濾波器，T/R開關(guān)和雙工器，以及集成功率檢測器，所有這些都在3.3伏的單電源電壓下工作。

圖8：Skyworks多頻段MIMO FEM框圖

安全

無線系統(tǒng)最近關(guān)注的一個領(lǐng)域是數(shù)據(jù)和訪問安全性。一旦只是IT世界和業(yè)務(wù)通信的領(lǐng)域，Stuxnet攻擊的幽靈就會使所有基于網(wǎng)絡(luò)的自動化實現(xiàn)在任何有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地方都需要數(shù)據(jù)安全性。信息不是唯一有價值的東西，因為能夠破壞或改變業(yè)務(wù)和制造流程具有明確的市場價值并且更難以追蹤。由于大多數(shù)自動化系統(tǒng)開發(fā)人員只熟悉系統(tǒng)設(shè)計的IP保護，因此Digi國際嵌入式無線安全產(chǎn)品培訓模塊是嵌入式應(yīng)用無線安全的入門模塊，可在Digi-Key網(wǎng)站上獲得。

為了幫助嵌入式應(yīng)用解決M2M通信中的安全問題，可以使用可集成的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，如Qualtech WLNG-XX-DP551系列 - 堅固耐用，安全，高可靠性的Wi-Fi模塊。該系統(tǒng)不僅具有完整的軟件支持，還具有SPI，以太網(wǎng)，GPIO，UART和802.11網(wǎng)絡(luò)的可配置接口。這些是對單個OEM板級組件中的完整RF，網(wǎng)絡(luò)堆棧和安全/密鑰處理的補充。圖9顯示了具有ARM9™處理器，本地存儲器，電源管理，以太網(wǎng)PHY和完整802.11 b/g無線電的模塊架構(gòu)。

圖9：Qualtech Airborne嵌入式無線設(shè)備服務(wù)器