作者：技術(shù)支持工程師，麥瑞公司 （Micrel， Inc.） Vince Stueve

數(shù)據(jù)的無線傳輸有多種方法。從簡單的指令和控制方案，如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）和車庫開門裝置到無線局域網(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)用選擇無線網(wǎng)絡(luò)時使用。

汽車等設(shè)備上用來鎖定和打開車門的遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)就是簡單的指令和控制應(yīng)用的一個非常典型的例子。在遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）應(yīng)用中，指令通過遙控鑰匙發(fā)送至汽車信號接收器。適當(dāng)?shù)亟邮盏街噶詈?，汽車即會相?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，您的遙控鑰匙就無法打開您朋友的類似型號的汽車，反之亦然，從而確保汽車的安全。

對于汽車遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE），遙控鑰匙操作人員通常會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)。隨著融入更多致動器、開關(guān)和電機(jī)需求的出現(xiàn)，系統(tǒng)的復(fù)雜度會立即增加。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)通常不會使用簡單的單向遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（RKE）網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)無線解決方案的每個節(jié)點(diǎn)上基本都有一個微控制器。微控制器會通過接口連接至溫度傳感器和致動器等實(shí)體設(shè)備，來讀取或?qū)懭胨鼈兊臄?shù)據(jù)。同時，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)用需要更長的數(shù)據(jù)傳輸范圍和電池壽命。簡言之，具體架構(gòu)決定著特定應(yīng)用所需的無線網(wǎng)絡(luò)類型。

在無線網(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)大的處理器來使單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。

802.11無線電附加系統(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、代碼長且昂貴的802.11 WLAN不適用于溫度、壓力和致動的遠(yuǎn)程監(jiān)控等任務(wù)。

ZigBee協(xié)議相對較輕巧，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，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)對點(diǎn)通信方案，就會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，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)管要求通常會指定可用的頻率。

在射頻信號通過空氣傳輸?shù)倪^程中，其功率水平會與已傳輸?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，對應(yīng)的各頻率的路徑損耗與距離的關(guān)系如圖3所示。

圖3

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

2.4GHz，80dB

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

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

在射頻系統(tǒng)中，接收到的信號等于發(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。

如果一個系統(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)境下檢測到信號。

除了自由空間路徑損耗以外，傳輸信號也會因建筑物、植被和其它物體而衰減。接收器試圖對輸入射頻信號進(jìn)行解碼時也會受到多路徑和信號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。

射頻設(shè)計(jì)中常用的經(jīng)驗(yàn)法則是：鏈路預(yù)算增加6 dB會使數(shù)據(jù)傳輸距離大致翻一番。利用該經(jīng)驗(yàn)法則就不難看出，運(yùn)行頻率為915MHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離將是運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離的兩倍多。運(yùn)行頻率為433MHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離將是運(yùn)行頻率為915MHz的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離的一倍。因此，運(yùn)行頻率較低的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)較長距離的數(shù)據(jù)傳輸。

此外，數(shù)據(jù)傳輸速率在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行頻率和調(diào)制類型選擇中也扮演著重要角色。如之前所述，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控和致動等應(yīng)用最好應(yīng)采用以低功率運(yùn)行較小的軟件棧的專線網(wǎng)絡(luò)。為預(yù)期應(yīng)用定制數(shù)據(jù)包可大幅簡化這些專線網(wǎng)絡(luò)。

采用ISM頻段專線網(wǎng)絡(luò)的無線解決方案的數(shù)據(jù)傳輸范圍或覆蓋范圍通常要比ZigBee、藍(lán)牙或WLAN的數(shù)據(jù)傳輸范圍或覆蓋范圍好很多。除了專線網(wǎng)絡(luò)以低頻率運(yùn)行降低路徑損耗之外，其它因素也可增大專線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸范圍。數(shù)據(jù)包小、數(shù)據(jù)傳輸速率低和能夠發(fā)送多份數(shù)據(jù)副本是專線網(wǎng)絡(luò)通常優(yōu)于基于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的原因。圖4為各無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與技術(shù)的對比。

圖4：各射頻網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與技術(shù)

ZigBee和ISM頻段專線網(wǎng)絡(luò)的功耗更符合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中對溫度、壓力和致動數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的期望。ZigBee節(jié)點(diǎn)用一對AA電池可運(yùn)行一年左右，而使用專線ISM頻段協(xié)議的節(jié)點(diǎn)在同樣的電源支持下可輕松將壽命延長至10年。ISM頻段解決方案的電池壽命較長的原因是設(shè)計(jì)者能夠選擇數(shù)據(jù)的占空比，從而針對特定情況定制解決方案。

全球公認(rèn)的ZigBee 802.15.4系統(tǒng)運(yùn)行頻率為2.4GHz，采用DSSS（直接序列擴(kuò)頻，偏移四相相移鍵控）作為調(diào)制方案。ZigBee無線電設(shè)備還能在美洲地區(qū)以915MHz DSSS運(yùn)行，并在歐洲地區(qū)以868MHz DSSS運(yùn)行；這些頻率的調(diào)制方案為BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）。目前，大部分ZigBee解決方案的運(yùn)行頻率均為2.4GHz。由于2.4GHz頻段在全球范圍內(nèi)被廣泛用于眾多無線標(biāo)準(zhǔn)和微波爐中，它已變得日益擁擠。不太擁擠的ISM 915、868頻段或433MHz頻段可成為擁擠的2.4GHz無線解決方案的替代方案，應(yīng)予以考慮。

與915MHz或更低的頻率相比，運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)的天線波長較短。這就是許多WLAN路由器需要兩根天線（運(yùn)行頻率為5.6GHz的802.11g需要三根天線）的原因。反射和多路徑會導(dǎo)致運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)零位。以915MHz等較低的運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信不會顯示多路徑和置零，因而只需一根天線就能良好運(yùn)行。運(yùn)行頻率為915MHz或更低的很多應(yīng)用可使用板載帶狀PCB天線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。減少天線數(shù)量有助于降低整個系統(tǒng)的成本，也是運(yùn)行頻率超出2.4GHz的網(wǎng)絡(luò)通常會選擇成本低、數(shù)據(jù)傳輸范圍長的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的另一個原因。

那么，ISM頻段內(nèi)可用的其它方案有哪些？ 這些年來，工程師們創(chuàng)造出了采用OOK（開關(guān)鍵控）、ASK（振幅鍵控）和FSK（頻移鍵控）調(diào)制方案的專線射頻網(wǎng)絡(luò)。很多時候，這些網(wǎng)絡(luò)具有工程師不容忽視的優(yōu)點(diǎn)。麥瑞目前提供頻段為310MHz到950MHz的收發(fā)器，可在ISM頻段內(nèi)執(zhí)行遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入（PKE）和雙向無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜的地方是微處理器使用的軟件棧。這最后一部分的設(shè)計(jì)會讓許多射頻設(shè)計(jì)超出標(biāo)準(zhǔn)。

麥瑞已利用MICRF505 FSK收發(fā)器芯片使通用型C源代碼成為了用于調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）的FCC 15.247兼容式協(xié)議。 該軟件名為MicrelNet，調(diào)制方案采用FHSS，帶寬為250KHz，跳頻為25。MICRF505芯片配備板載功率放大器 （PA），無需外部傳送/接收開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)-3dBm到+10dBm的信號強(qiáng)度至天線的傳輸。使用設(shè)置為10dBm的MICRF505的板載功率放大器，在200米以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率即可輕松達(dá)到9.6Kbps。

圖5給出了FHSS系統(tǒng)中的各載波頻率。所有節(jié)點(diǎn)均同步運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)跳頻。如有頻率出現(xiàn)故障或被占用，系統(tǒng)將跳至下一頻率獲取信息。軟件棧最終負(fù)責(zé)重組節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的數(shù)據(jù)包?？筛鶕?jù)MicrelNet中的IP地址方案輕松識別數(shù)據(jù)包的源地址和目標(biāo)地址類型格式。軟件CRC用于確保數(shù)據(jù)傳輸安全。

圖5：跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）

FCC 15.247可使FHSS無線電設(shè)備以915MHz的頻率運(yùn)行時輸出功率達(dá)到250mW，相當(dāng)于以24dBm的信號強(qiáng)度傳輸至電阻為50ohm的天線內(nèi)。如果再配備外部功率放大器和傳送/接收開關(guān)，MICRF505收發(fā)器的芯片功率可達(dá)250mW。在視線應(yīng)用中，當(dāng)輸出功率為250mW時，MICRF505的覆蓋范圍可達(dá)2公里，數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到10Kbps左右。

MicrelNet代碼?？墒褂?位微處理器以8KByte的速度運(yùn)行。現(xiàn)在新增了許多工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，來增強(qiáng)現(xiàn)有的由每個節(jié)點(diǎn)上的小型低功率微處理器控制的RS232型網(wǎng)絡(luò)。由于小型低功率微處理器的閃存大小有限，往往不能選擇添加大段代碼。MicreNet的代碼為8Kbyte，比相應(yīng)的802.11 WLAN（1MByte）或ZigBee（32K–70KByte） 的要小得多。

MicrelNet在樹狀網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)能夠與從屬節(jié)點(diǎn)達(dá)65，000的網(wǎng)絡(luò)中的其它主機(jī)通信。這與ZigBee類似，但ZigBee屬于在任何節(jié)點(diǎn)間均可實(shí)現(xiàn)相互通信的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)適用于MICRF505，但需要額外的軟件資源，類似于為部署ZigBee所討論的資源。圖6展示了各種無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

圖6：多種網(wǎng)絡(luò)示例

在無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，哪種類型的網(wǎng)絡(luò)能夠取勝最終取決于其具體應(yīng)用和環(huán)境。頻率、協(xié)議和功耗均會影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶⑾到y(tǒng)資源和解決方案的最終成本，因此，它們是決策過程中的關(guān)鍵元素。

802.11、ZigBee等協(xié)議和專線方案（如 MicrelNet）均可共存。圖6所示“網(wǎng)關(guān)控制器”能夠使各種無線網(wǎng)絡(luò)在所有網(wǎng)絡(luò)中最常見的網(wǎng)絡(luò)——10/100銅纜以太網(wǎng)——中通信。這種網(wǎng)關(guān)控制器的其中一種已完成裝配并已經(jīng)過驗(yàn)證。

zrbj;gt