工业无线技术理论与应用（五）

专家：杜品圣 领域：工业无线 行业：机械 日期：11-12-29 10:47 点击数：3402

     7 无线链路规划

   从经济角度来看，许多情况下通过无线链路建立数据连接具有较大的优势。由于具有不同的用于各种使用目的的优化无线链路，接下来介绍一下把无线解决方案纳入到现有工业环境时在实际应用中应该注意些什么。

    首先必须弄清楚一个问题，哪些无线系统能够完成所需的任务？如果确定了可以实现所需服务范围的系统，那么又提出了另外一个问题，工业环境中哪些设备和因素会对无线链路产生影响以及如何防止负面影响？在无线规划中要弄清楚这个问题。由于环境条件具有复杂性，澄清过程成本会显著增加，对一个装满装置、设计元件和其它无线应用装置的大型工业厂房进行无线规划的费用要显著高于对只具有一台自动装置的空房间的规划。

   7.1 无线系统选择

    无线规划的目标是，对数据传输的基本要求在预定的应用情况下能否得到满足这个问题做出回答。必须保证三项基本要求：有效范围、传输速度、无线链路的稳定性。

   考虑时必须注意，这些量之间具有相互作用。汽车离发射器越远，车内的无线电接收质量越差，有必要切换到另一个频率或发射器。在建筑物中使用手机时连接质量会变差，有时连接甚至会中断。无线局域网连接中，稳定性是至关重要的，数据传输率会随着离接入点距离的增加而降低。

    与无线局域网连接一样，对工业无线连接来说稳定性一般来说也是最重要的特点。因此，工业无线技术配备有保证最大扩展稳定性的各种机制。以下将进行一些比较分析。

   7.1.1 有效范围和数据传输率

    说明有效范围和数据传输率之间相互关系的一种可能性就是考虑传输的每比特能量含量。可以确定：每比特能量含量越高，能达到的有效范围就越大。每比特能量是发射功率与数据传输率的比值。下面通过举例对两个系统进行比较。

  无线局域网标准802.11b规定为总数据传输率为11Mbps的大数据量传输的标准，最大发射功率限制为100毫瓦。TrustWireless™系统通常用于小数据量传输，如传输速度为19.2kbps的开关状态或传感器信号，发射功率在计算示例中假设为10毫瓦。无线局域网线路的最大有效距离能够达到数百米，而现有TrustWireless™线路能在数千米内保持稳定。
                        
                                     图 1 每比特能量含量

  有效范围和数据传输率之间的关系也可以在802.11无线局域网系统中明显看出。它们根据接收信号强度控制传输速度。如“无线局域网”一章中所述的安全措施，在一些设备中可以设置传输速度。高数据传输率会导致有效范围缩小，即距离增加时噪音也会增加。

   7.1.2 有效范围和稳定性

   通过工业无线技术中的各种调制和稳定方法可以保证稳定性得到最大扩展。这在前面的章节中进行了介绍。但是只有当足够功率的信号随时可以到达接收器时，无线链路才能保持稳定。

     信息传输中的三个物理参数至关重要：

    发射器的辐射功率 (发射功率，EIRP)；

    线路上的功率损耗 (阻尼)；

   接收单位的灵敏度 (天线和接收器)。

   通过技术手段可以直接对发射功率和接收灵敏度施加影响，但是很难提前确定无线链路的阻尼。

   在欧洲，无需许可证即可在2.4Ghz的ISM频段进行工作的设备和仪器的最大发射功率在法律上被限制为10毫瓦或100毫瓦。因此，绝无可能通过把发射功率提高到规定的范围外来保持稳定。具有可以发射恒定功率信号的发射器。在其它的发射器中，可以人工设置或者由设备进行自动设置到最大值。

   传输线路的阻尼减少了从发射器到接收器路径上的无线电信号。进一步可以确定，信号强度改变6dB可以使有效范围加倍或减半。Trust Wireless™系统设备可直接显示该信号强度。它通过接收件模拟RSSI信号输出。

                      
                                                      图2 测量RSSI信号

          范围 1：接收改善措施是必要的；

          范围 2：接收改善措施具有意义；

          范围 3：存在稳定无线链路。

    使用标准数字万用表可以进行简单检查。RSSI 值超过2V时，无线链路稳定。更高的值可被看做有效范围储备。

    在发射天线的一定距离外测量规定的最大发射功率。通过发射天线的类别不能得出发射功率的增益。但是发射时使用定向天线可以减少发射器的能量消耗。在双向使用的无线链路中，天线具有发射和接收功能。接收天线的选择会对无线链路的质量产生影响。通过接收天线的性质和调整，或多或少可以从环境中接收到高质量的发射信号。使用的标准接收天线增益在全向发射天线中为1dBi，在定向天线中最大为20dBi。

   对于接收器，特别是接收电子的实际建立对其灵敏度具有重要影响。在此举例进行对比：典型的蓝牙接收器被做成一个单芯片电路板，拥有约-80分贝的灵敏度；Trust Wireless接收器的射频电路板构造较分散，灵敏度可达到-110 ~ -115 分贝。

    7.2 无线规划工具

    对传输路径的影响因素是多样的，只能通过技术计量对其进行大概描述，规划时必须考虑并对大致的可行性进行说明。最终只能在实际使用中确定无线链路是否稳定，如有疑问可进行测试安装。

    由于具有各种不同的重要影响因素，无线规划时有必要区分两个使用领域；封闭空间内的使用和开放空间内的使用。

    7.2.1 建筑物内无线规划

    最简单的模型考虑了开放空间的阻尼和发射器与接收器之间的距离。这种方法适用于可以清楚看到连接路径的短途传输路径。在下列所述情况中，设备配备有蓝牙I/O单元。这些单元对其发射功率可以进行自动控制，这样可以使设备向环境中的无线电辐射保持在一个较低的水平。
  
                          
                                        图3 通过无线模块进行I/O连接

   当建筑物和车间中的路线较长时，墙壁和其它结构元素会对连接的总阻尼产生重要影响。这里具有一个需要考虑这些元素的模型。设计师借助菲尼克斯电气提供的“无线模拟”软件工具，可以在规划区域内对无线覆盖信号强度进行分配。

   下面举例说明一下通过“无线模拟”软件对建筑物中接入点的定位规划。

   首先读取规划区域的平面图，它是一个图形文件。
               
                         
                                             图4 读取平面图

   把墙壁、其它结构件和依赖于结构的阻尼值一起记入规划中。然后标出应安装接入点的位置。以存放的接入点技术数据为基础计算无线电覆盖系统。信号强度表现为色彩进程。

   可以很好地识别出信号强度不足的区域。通过插入或移动接入点可以优化无线电覆盖范围。这里可以使用技术相同的发射器，如在建立多个无线局域网接入点时。但是也可以考虑使用共存系统，如无线局域网和蓝牙。
            
                       
                                   图5 无线电覆盖范围示意图

   上述以材料阻尼和发射功率为运行基础的模型通常为稳定无线系统的安装提供了足够的指引，也提供有需要考虑吸收、反射、衍射和其它参数的无线网络规划系统。

   对于封闭空间无线链路，大多数情况下，大型厂房内菲涅尔区的扩张并不是一个问题。但是当无线链路须经过狭窄渠道、管道、井状结构或小巷胡同时需要对有效距离进行绝对限制。如在高架仓库的无线覆盖范围内必须考虑到这一点。

    7.2.2 开放空间无线规划

   对于开放空间无线链路规划，最重要的参数是发射器和接收器之间的“可视连接”，尤其要注意线路障碍（增加阻尼）和地形（形成菲涅尔区）。因为发射功率在2.4GHz的ISM频带受到法律限制，所以使用的天线技术对获得较大的有效范围尤为重要。

   菲尼克斯电气为客户提供免费无线规划服务。它只是必须提供规定的发射与接收点的GPS坐标。用一个例子说明开放空间无线链路的规划过程：
           
                         
                                          图6 高度图

   某自来水厂，需要在蓄水池和一个泵站之间建立无线连接。客户提供GPS坐标如下：

   地点 1：50° 54‘ 03‘‘ N 和 011° 05‘ 09‘‘ O

   地点 2：50° 54‘ 53‘‘ N 和 011° 08‘ 41‘‘ O

   坐标被传输到一个地形图上。使用的软件工具计算出两点之间直线连接的截面积。这里不考虑建筑物和植被。输入天线的安装高度后用连接线表示视线连接。
          
                       
                                                图7 高度图

  分析表明，两点之间的距离为2000米，产生了一个直接视线连接，该线路是可以实现的。

   而在某两个减压站之间需建立另一个连接。GPS坐标是：

   地点 1：50° 53‘ 53‘‚ N 和 011° 02‘ 41‘‚

   地点 2：50° 54‘ 48‘‚ N 和 011° 01‘ 39‘‚

   使用软件工具计算出以下结果：

  测量出的距离为2100米，使用规划的技术可方便到达这个距离。在地形图上发现，不存在直接视线连接。这种无线链路难以起到作用，解决办法是使用中继站进行补救。

    在地形图中合适的位置增加一个中继器后，实现了两段无线链路。通过下图分析表明，这种情况下可以通过使用中继站实现稳定的无线链路。

    为了验证线路是否会受到建筑物或设备的干扰，可以使用http://maps.google.com或http://maps.live.com网站服务以及谷歌地球程序。通过已存在的GPS坐标容易找到中继站的周边地区。
                    
                       
                                      图8 高度规范第1段线路

    7.3 共存

   一般说来，共存指的是同时存在两个或多个系统。在工业环境的无线技术中，共存指的是同时存在发出电磁波的设备和仪器。如果要在工业环境中安装无线链路，必须确定电磁辐射源并对其干扰作用做出评估。

    7.3.1 电磁辐射源

   各种设备、操作和程序基于物理作用原理会引起电磁波，这是不能避免的。

   对于设备，通常采取了建设性的措施以保持低水平排放。如果符合具有适当标准的EMV规范，那么就可以认为无线链路不会受到干扰。
                
                          
                                          图9 高度规范第2段线路

    机械和电子换挡过程会诱导设备产生高频尖峰。可以通过使用屏蔽和过滤器减小对环境的干扰。在电弧焊等过程中不可避免地会向环境中排放电磁波。这里必须对空间位置和到无线链路的距离进行考虑。

    在实践应用中表明，下图中的干扰源不会给安装的无线链路带来明显的负面影响。有两个至关重要的原因：在工业无线技术设备和仪器中实施了可以稳定无线链路使其不受外界干扰的无线技术措施，特别是DSSS方法导致对干扰尖峰具有较高的抵抗性；工业环境中出现的电磁波通常会在低于ISM频段2.4GHz的频率范围内波动。
                       
                      
                                         图10 非无线电干扰源

   7.3.2 与其它无线技术共存

   为了区分相同环境下不同无线电系统之间的相互干扰，首先要考虑到使用的频率或频带。如果占用的是不同的频率范围，那么设备之间不会出现干扰。
            
                     
                                           图11 不同频带的无线技术

   如果使用的是同一频率范围，则必须考虑到相邻无线电系统之间的影响。这经常发生在2.4GHz的ISM频段。市场上提供的许多工业无线技术使用的都是该频段。除此之外，许多公司使用无线局域网接入点时通过IT基础设施使用了该频率范围。自动化技术和IT基础设施的责任往往分属不同部门，除技术以外，管理协调也是非常必要的。在环境中IT基础设施覆盖广泛的情况下，可以使用发展迅速的用于自动化任务的5GHz无线局域网技术（IEEE-802.11a/h），通过使用不同的频带避免发生冲突。
                
                       
                                  图12 蓝牙和无线局域网信道   

    但是在大多数情况下，各种工业无线技术在同一频带上可以并行运行，其基础是前面章节中描述的DSSS和FHSS方法。

    首先举例说明一下无线局域网和蓝牙的并行运行。从2.4至2.485GHz的所有可用带宽在无线局域网和蓝牙中分别被划分为13个和79个信道。
           
                    
                                 图13 蓝牙和无线局域网频率占用

    由于无线局域网信号比设置的信道宽，因此传输时需要占用多个信道。可以实现三个信道互不重叠。传输路径之间还保留有一个“自由空间”。

   蓝牙使用自适应调频方法在所有79个信道中运行。如果信道被其它无线应用装置占用，那么这可以从蓝牙（从版本1.2起）中省出来。如果两个系统同时运行，可以在无线局域网间隙进行蓝牙传输。
               
                  
                            图14 Trust Wireless和无线局域网的频率占用

   蓝牙设备中使用的自适应调频技术会对无线链路中的干扰做出反应。通过测试和纠错程序可以确定干扰。在找到“自由空间”前在无线链路中会发生碰撞。通过这种方式能够暂时降低传输速度。为了避免这种情况，在安装系统时就可以固定节省出蓝牙中使用的无线局域网信道。

    在Trust Wireless通信技术中，带宽被划分为约160或800个信道。为了能够与无线局域网并行运行，可以禁用适当设备中的一两个无线局域网范围。因此通过Trust Wireless通信设备只能使用没有被无线局域网占用的频率。

    两个使用调频方法工作的不同设备通常可以并行运行。下列例子表明，两个以上的不同系统也可以同时操作。
            
                  
                             图15 无线局域网、蓝牙、Trust Wireless并行运行 

   Trust Wireless通信无线链路中断开了第5无线局域网信道。自适应调频方法避免了蓝牙线路使用无线局域网占用的频率范围。Trust Wireless™ 和蓝牙不会产生相互干扰，因为二者都使用了调频方法。

   上述情况总是假设，无线电设备的定位方式会使得无线链路相互之间产生直接影响。许多工业技术的发射功率可以进行手动或自动控制。如果无线链路的安装方式避免了空间上的重叠或者功率降低不会影响到其它无线链路，那么即使没有上述机制线路也可以稳定运行。
                
                    
                         图16 并行运行的三个无线局域网系统的信道选择

    7.3.3 相同无线技术并行运行

   为了解决复杂的任务，经常可以适当地或有必要在相同工业无线技术的基础上建立多条无线链路。例如：在建筑物中建立无线局域网需要多个接入点；在自动化设备中，通过相邻的不同蓝牙无线链路传输多个传感器信号；为了克服较长的距离在TrustWireless™中使用了中继器，从一个点操纵两条无线链路。
             
                      
                                    图17 蓝牙系统并行时的信道使用

   对于无线局域网系统的共存，最多可以使用三条互不重叠的信道。图16表明，为了最大限度地使用频带，在总频带内只能选择特定的信道。

    对于蓝牙系统的共存，由于在所设的每条无线链路上都使用了跳频方法，因此单个数据包通过79条信道在总频带上得到了分配。通过跳频密钥为每个连接设置了一个独特的伪随机跳频序列。
               
                    
                                图18 使用固定信道分配分组
          
   两个数据包“相遇”的概率随着并行运行系统数量的增加而增加。至多50个系统可以毫无问题地并行运行。但是，由于补偿机制引起单个数据包发生损坏时，数据传输率会略微降低。

    对于Trust Wireless™系统的共存，根据不同的使用设备可以建立7个或9个信道组，通过这种方式可以建立适当数量的互不影响的无线链路。每条信道只在各自的组中使用。

   同一组中的设备相互之间的干扰很小，因为它们使用不同的跳频序列运行。该序列伪随机生成。但是单个数据包可能会被破坏。内置的安全机制会导致传输速度降低。测试表明，相互紧靠的400个Trust Wireless™系统运行时，数据传输率只会降低50%。

   张龙（1974-）男，1996年毕业于北京理工大学自动控制专业，研究方向为现场总线、工业以太网、功能安全和工业无线等技术。  

   摘自《自动化博览》2011年第十二期