1  概述

　　無線技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展。今天已經(jīng)有一系列各式各樣的無線技術(shù)可供選擇， 從藍牙技術(shù)到Wi－Fi 到自組織網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、蜂窩技術(shù)，等等，不一而足。

　　然而，能夠適合于過程自動化信息通信的無線技術(shù)，僅有幾種而已。 在對無線技術(shù)應(yīng)用的要求中，安全性和可靠性尤為突出，而且，大多數(shù)工廠的“鋼鐵之谷”都會帶來在辦公和居住環(huán)境下少見的挑戰(zhàn)。 同時，網(wǎng)絡(luò)的升級和成本也是其中需要著重考慮的方面。

　　即使在過程工業(yè)范圍內(nèi)，不同的應(yīng)用具有不同的要求，例如在發(fā)射范圍、輸出量和能源效率方面，這就要求有不同的無線技術(shù)來滿足這些要求。 也就是說，技術(shù)是否正確，部分取決于應(yīng)用。

　　2  距離范圍和處理能力

　　為了幫助理解哪種無線技術(shù)最適合于不同的應(yīng)用，我們從每種技術(shù)的相對距離范圍和數(shù)據(jù)吞吐量方面加以探討。

　　距離范圍。 每種短程技術(shù)的無線通信鏈路都大致在100米或低于100米的范圍之內(nèi)。 有些短程技術(shù)可以通過多種鏈接的使用來覆蓋更長的距離范圍。 通過將短程無線技術(shù)和其他的有線或無線技術(shù)結(jié)合使用，總發(fā)送距離也可以達到延長的目的。

　　數(shù)據(jù)吞吐量。數(shù)據(jù)吞吐量類似于數(shù)據(jù)頻率的概念，但是通常不包括通信協(xié)議中使用的“附加”位。數(shù)據(jù)吞吐量是一個很好的工具，可以用來判斷無線網(wǎng)絡(luò)的真實性能和工作效率——當(dāng)然吞吐量越大越好。

　　不管您期望短覆蓋范圍高數(shù)據(jù)率，還是長覆蓋范圍低數(shù)據(jù)率，還是中間的某一種狀態(tài)，大概您都能找到一種方案來滿足要求。

　　2.1  常見的無線技術(shù)

　　紅外線

　　紅外線（IR）技術(shù)不是新事物。 事實上， 您可能每天都在使用它——大多數(shù)的遙控器都使用這種技術(shù)，例如電視、VCR、VCD 播放器等等。

　　與其他無線技術(shù)不同，紅外線技術(shù)利用光射線來傳送數(shù)據(jù)。 這種單向的信號傳輸距離非常之短，大致會少于25英尺，并且要求在發(fā)送器和接收器之間目視可見。 紅外線不能穿透墻壁或其他實體障礙。

　　紅外線的傳輸速度相對較慢。例如， 雖然許多電腦和打印機有紅外連接以便可以無線打印，仍然很少有人喜歡這種方法，因為比起有線連接來它實在是太慢了。

　　數(shù)據(jù)傳輸速度太低，要求視線連接，發(fā)射范圍有限，對于大多數(shù)的過程自動化通信而言，這些都是紅外技術(shù)顯而易見的缺點。

　　藍牙技術(shù)

　　藍牙技術(shù)用于體型較小、便宜、短程的無線收發(fā)設(shè)備，例如電話、耳機、個人電腦、個人數(shù)字助理（PDA）等等。當(dāng)藍牙設(shè)備處于另外一臺同樣設(shè)備的覆蓋范圍之內(nèi)的時候，它們就可以在個人局域網(wǎng)絡(luò)（PAN）或 piconet 內(nèi)自動地進行電子通信以分享數(shù)據(jù)。

　　每個藍牙個人域網(wǎng)絡(luò)都可以容納最多8臺設(shè)備，每個設(shè)備都可以同時屬于幾個個人域網(wǎng)絡(luò)。 隨著藍牙設(shè)備進入和離開覆蓋的范圍，個人域網(wǎng)絡(luò)可以自動地、動態(tài)地實現(xiàn)。

　　藍牙通信工作于ISM頻段內(nèi)的2.4GHz， 支持高達721Kbps的數(shù)據(jù)發(fā)送速度。 雖然藍牙技術(shù)規(guī)范在設(shè)備功率足夠大的時候允許高達100米的通信范圍，但是較常見的范圍都在1～10米以內(nèi)。

　　藍牙技術(shù)的優(yōu)點在于它的無線、自動和便宜的特點，所以它很適用于辦公室應(yīng)用。 但是它有限的覆蓋范圍和較低的可靠性決定了它很難用于工業(yè)自動化用途。

　　ZigBee 技術(shù)

　　ZigBee 是一種通信協(xié)議，設(shè)計用于小型、低價、省電的數(shù)字無線設(shè)備的低數(shù)據(jù)率應(yīng)用，例如建筑自動化，醫(yī)療設(shè)備和嵌入式傳感器等等。

　　ZigBee 技術(shù)用于建筑和辦公自動化領(lǐng)域十分理想，但在過程自動化應(yīng)用方面仍有缺陷。

　　頻率  ZigBee對每一個網(wǎng)絡(luò)只使用一個單一的頻道。在每一臺設(shè)備的安裝之前，都要求進行現(xiàn)場評估，以便確定一個暢通無礙的頻道。 頻率單一意味著頻道阻塞或其他干擾會癱瘓整個網(wǎng)絡(luò)。 唯一避免干擾的方法是重新勘測現(xiàn)場，然后重新為設(shè)備設(shè)定程序以利用其他不同的可用頻道。

　　功率  雖然有些ZigBee設(shè)備可以使用一塊堿性電池支撐一到兩年的時間，實際的網(wǎng)絡(luò)耗電要求卻復(fù)雜得多。這是因為ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用兩種類型的設(shè)備：精簡功能設(shè)備和全功能設(shè)備。

　　· 精簡功能設(shè)備是一種低功率發(fā)送接受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，但是它能同全功能設(shè)備進行“對話”。

　　· 全功能設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中起到路由器的作用，功耗也不低。 通常這種設(shè)備由有線電源供電，所以放置的地點限于電源方便的地方。 雖然ZigBee允許全功能設(shè)備用電池供電，但是電池壽命并未經(jīng)實踐考驗，可能僅可維持數(shù)月。

　　在工業(yè)場合要增加一個新設(shè)備來擴展ZigBee網(wǎng)絡(luò)更加困難，這是因為全功能設(shè)備的位置（和可用功率）需要十分仔細地加以謀劃， 以便為附加的精簡功能設(shè)備提供支持。

　　自組織網(wǎng)絡(luò)

　　同樣基于IEEE 802.15.4協(xié)議，自組織網(wǎng)絡(luò)對他們的組態(tài)和通信進行動態(tài)管理，以保證信息可以有效可靠地抵達目的地。
　　每臺網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都同時作為相鄰設(shè)備的路由器，所以假若由于距離和障礙的原因一臺設(shè)備不能 同網(wǎng)關(guān)進行通信，那么它的信號將由一臺或多臺無線設(shè)備通過到主機系統(tǒng)的開放通路進行傳送。這就大大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

　　由于信號可以通過設(shè)備－設(shè)備－設(shè)備的路徑（稱作“多跳頻”）進行傳遞，所以在信號源到目的地之間不要求有視線路徑，所以也就沒有費用昂貴的場地勘測或評估的必要了。

　　多跳頻技術(shù)還可以克服自組織網(wǎng)絡(luò)中低功率設(shè)備的發(fā)射范圍有限的缺點。自組織網(wǎng)絡(luò)中的信號用不著“一路呼嘯”著從信號源發(fā)射到目的站，只需“靜悄悄”地從設(shè)備發(fā)射到設(shè)備直到一路傳遞到網(wǎng)關(guān)即可。 

　　同ZigBee技術(shù)也不同， 自組織網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備均可作為其他設(shè)備的路由器（或“全功能”設(shè)備），因此擴展容易。新的授權(quán)設(shè)備可以被自動識別并添加到網(wǎng)絡(luò)中。有些供應(yīng)商還隨著自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案同時提供先進的電源管理和安全功能措施。

　　自組織網(wǎng)絡(luò)有了這些能力， 便成為許多工廠內(nèi)過程自動化應(yīng)用的可靠選擇。

　　Wi-Fi 技術(shù)

　　Wi-Fi 技術(shù)廣泛應(yīng)用于為辦公室、家庭和其他公共網(wǎng)絡(luò)“熱點”，提供無線連接。

　　Wi-Fi技術(shù)建立在無線局域網(wǎng)的標(biāo)準家族IEEE802.11之上。 事實上， Wi-Fi和802.11這兩個術(shù)語經(jīng)常互換使用。 Wi-Fi 的不同版本，例如802.11a, 802.11b 和802.11g 可以提供不同的范圍、速度和成本組合。

　　有些Wi-Fi 設(shè)備可以以接近于有線連接的速度來傳輸數(shù)據(jù)，傳輸?shù)木嚯x通常為大約100米。取決于設(shè)備和條件的不同，傳輸距離可以更大。 同其他無線信號相比， Wi-Fi 信號可以根據(jù)材料的密度和信號強度的不同，穿越墻壁和其他的實體物理障礙。

　　由于Wi-Fi技術(shù)基于開放式標(biāo)準，鼓勵設(shè)備到平臺之間的互操作性，所以在市場上也越來越流行。而 眾多Wi-Fi 開發(fā)商和制造商之間的競爭，使得耐用、易用而廉價的產(chǎn)品大量出現(xiàn)。

　　最后，Wi-Fi技術(shù)還作出了巨大的努力，來推出保護信號傳輸?shù)陌踩胧ɡ缂用芗夹g(shù)）。

　　在過程工業(yè)應(yīng)用中，Wi-Fi技術(shù)用于覆蓋低功率短距離設(shè)備之間的距離十分理想，這些設(shè)備常用于無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)、控制室或其他的數(shù)據(jù)收集點， 例如您可以利用Wi-Fi 將來自于自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)整合到主機系統(tǒng)中去，如DCS，PLC，或歷史數(shù)據(jù)記錄器等等。

　　Wi-Fi還可以用于為移動狀態(tài)的工作人員提供訪問過程控制網(wǎng)絡(luò)的途徑，包括關(guān)鍵過程信息、歷史數(shù)據(jù)、圖形和其他的關(guān)鍵功能，等等。

　　射頻識別技術(shù)（RUID）

　　RFID使用一種利用獨特的信息進行電子編程的小型射頻應(yīng)答器（稱為射頻標(biāo)簽）。然后這個數(shù)據(jù)可以從一定距離之外進行閱讀。這種技術(shù)的一個常見的應(yīng)用是“收費電子標(biāo)簽”，這種標(biāo)簽允許司機無需每次停車繳費即可通過收費點；還可以應(yīng)用于庫存跟蹤應(yīng)用。 有些標(biāo)簽甚至可以更新，例如當(dāng)產(chǎn)品離開裝配線的時候進行的標(biāo)簽更新。

　　RFID可能在跟蹤工廠設(shè)備或大量產(chǎn)品方面十分有用。 但是您不可能為管道中流動的東西來加上標(biāo)簽。 而且，由于FRID信息是靜態(tài)的，必須經(jīng)過編程變成標(biāo)簽形式，所以不能用于經(jīng)常變化的測量或診斷數(shù)據(jù)。

　　實時定位服務(wù)（RTLS）

　　實時定位服務(wù)（RTLS）將位置跟蹤功能同已有的802.11(Wi-Fi)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，實現(xiàn)對移動工作人員、工廠設(shè)備和其它有價值的資源進行定位。

　　實時定位服務(wù)系統(tǒng)可以進行實時位置的圖形顯示，對象包括無線設(shè)備、筆記本電腦、PDA，或任何其他攜帶有RTLS Wi-Fi 標(biāo)簽的人或物品。 系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的標(biāo)簽位置來更新數(shù)據(jù)庫，更新頻率可以高達數(shù)秒每次，也可以對那些甚少移動的物體每數(shù)小時一次。 更新頻率可以影響到配置標(biāo)簽的數(shù)量和電池壽命。典型的應(yīng)用系統(tǒng)可以同時跟蹤多達數(shù)千個標(biāo)簽，平均標(biāo)簽電池壽命可以達到5年或更長。

　　RTLS 具有相當(dāng)?shù)臐撛趹?yīng)用價值。 例如帶有RTLS標(biāo)簽的設(shè)備在安裝或周轉(zhuǎn)期間可以更容易地被發(fā)現(xiàn)位置。 處于移動狀態(tài)的工作人員也可以很快進行定位，有利于進行更有效的工作安排，或作為應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的一部分。

　　2.2  長距離無線技術(shù)

　　全球微波接入互操作性（WiMax）

　　WiMax 是Worldwide interoperability for Microwave Access (全球微波接入互操作性)的縮寫，設(shè)計用于城市大小的區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)。 它可以將Wi-Fi熱點相互之間以及同因特網(wǎng)之間進行連接，為硬線電纜或DSL提供一種替代方法，支持家庭或企業(yè)和網(wǎng)絡(luò)訪問點之間“最后一哩”的連接。

　　基于城域網(wǎng)（MANs）的IEEE 802.16規(guī)范，WiMax 使用的頻率在從2～11GHz的范圍之間，提供高數(shù)據(jù)吞吐量（高達75Mbps）。低頻傳輸不易被物理障礙打斷，而且如果功率合適，覆蓋范圍可以延長到50公里（30英里）。

　　在過程工業(yè)中，這種新興技術(shù)可能比較適合于長距離鏈接并提供無線網(wǎng)絡(luò)的主干和整個工廠范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)訪問。

　　大功率900MHz無線信號

　　無線通信已經(jīng)廣泛用于油氣工業(yè)領(lǐng)域。因為在這些領(lǐng)域內(nèi)，為許多偏僻地區(qū)提供硬線通信連接難于操作且費用高昂。

　　大功率900MHz無線信號在適應(yīng)SCADA（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）的遠距離（10～20英里）和相對較窄的帶寬方面有著比較長久和成功的歷史記錄。這種狀況一時之間難以改變。

　　然而需要改變的是這些通信應(yīng)用中的數(shù)據(jù)類型。特別是，隨著有些領(lǐng)域的技術(shù)開始成熟，企業(yè)可以利用設(shè)備的診斷和其他信息來提高他們的生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力。 由于在這些應(yīng)用中的I/O接口數(shù)量較少，額外的數(shù)據(jù)不應(yīng)對900MHz頻帶在帶寬方面的局限性帶來較大的挑戰(zhàn)。

　　蜂窩技術(shù)

　　當(dāng)我們在網(wǎng)絡(luò)“蜂房”中旅行時， 蜂窩技術(shù)將我們的電話自動地從一個發(fā)射塔傳遞到另外一個發(fā)射塔，從而完成移動通信。

　　蜂窩設(shè)備供應(yīng)商們通過增加網(wǎng)絡(luò)發(fā)射塔和其他的基礎(chǔ)設(shè)施來支持移動電話人數(shù)的快速增加。其結(jié)果是，最后即使在許多偏遠的地區(qū)也被蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并提供了同其他電信網(wǎng)絡(luò)的良好連接。

　　這就使得蜂窩技術(shù)成為一個從遙遠地區(qū)進行過程自動化數(shù)據(jù)收集的不錯的選擇。這種方法比起派人工進行手動數(shù)據(jù)收集來說，可要劃算多了。

　　然而，蜂窩技術(shù)之間仍有不同，其中一些要比另外一些更加適合與過程工業(yè)的應(yīng)用。例如，全球移動通信系統(tǒng)（GSM）應(yīng)用廣泛，它的通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）也是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧己眠x擇。 GPRS是通過將數(shù)字數(shù)據(jù)包裹在GSM移動電話的數(shù)字化語音信號之上分層進行發(fā)送的。

　　GSM/GPRS是全球大多數(shù)地區(qū)包括歐洲、亞洲和非洲都使用的蜂窩技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，大約今天有70％或以上的移動電話用戶使用的是GSM/GPRS技術(shù)。 這些網(wǎng)絡(luò)利用TDMA(時分多址)，通過交互頻率和預(yù)定時隙來傳輸數(shù)字語音和數(shù)據(jù)。

　　在美國以及美洲某些其他國家里，CDMA(碼分多址)作為一種富有競爭力的蜂窩技術(shù)而被采用。同TDMA相反，CDMA技術(shù)將加密的語音和數(shù)據(jù)在同一時間內(nèi)通過整個指定的頻譜進行發(fā)送。

　　衛(wèi)星用于對地理上分布較遠的資產(chǎn)進行監(jiān)控的另外一項選擇，是衛(wèi)星技術(shù)。 然而對許多應(yīng)用來說，衛(wèi)星技術(shù)和蜂窩技術(shù)相比有很大的缺點。 例如，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸比蜂窩方式傳輸費用要昂貴得多。 衛(wèi)星信號收發(fā)裝置同競爭性技術(shù)，例如移動電話相比，由于他們的信號必須被傳送到地球軌道上的衛(wèi)星，所以體型要較大一些，要求的功率也較大。 而且由于衛(wèi)星通信技術(shù)未被廣泛采用，所以它不能提供同蜂窩技術(shù)一樣的規(guī)模經(jīng)濟。

　　衛(wèi)星技術(shù)缺乏標(biāo)準，這就增加了同其他系統(tǒng)或相同技術(shù)的未來版本整合上的技術(shù)風(fēng)險。

　　總體而言， 衛(wèi)星通信應(yīng)留給專門的窄帶應(yīng)用， 例如海上油氣平臺、海事操作，以及地理上孤立、蜂窩網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的地區(qū)的移動資產(chǎn)追蹤，等等。

　　2.3  評估標(biāo)準

　　雖然您已經(jīng)看到有些無線技術(shù)并不適用于過程自動化的應(yīng)用，但是也有些可以。那么到底您應(yīng)該選擇哪一種呢？

　　答案是：“看具體情況而定”。 沒有一種技術(shù)可以滿足所有的應(yīng)用。而且，您應(yīng)該為您的特定的應(yīng)用制定可以成功的標(biāo)準，然后對每種技術(shù)的能力進行評估，使之達到您的標(biāo)準。

　　下面是您在評估中需要考濾的一些問題：

　　哪種無線技術(shù)最適合于整合到我的主機系統(tǒng)或數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)？

　　無線設(shè)備之間的最大距離是多少？

　　我需要哪種層次的安全措施？

　　多高的數(shù)據(jù)吞吐量水平是必需的？
　
　　網(wǎng)絡(luò)可靠性有多重要？

　　有可用的網(wǎng)絡(luò)電源嗎？ 如果沒有，我需要多長時間更換一次電池呢？

　　工廠內(nèi)有哪些種類的障礙和干擾？

　　工廠里還支持和使用哪些其他無線技術(shù)？

　　要采用的無線技術(shù)可以同現(xiàn)有的儀表設(shè)備和裝置，例如現(xiàn)有的HART儀表很好地協(xié)調(diào)工作嗎？

　　無線網(wǎng)絡(luò)的擴展和保持技術(shù)方便嗎？

　　有開放式標(biāo)準和具有豐富專業(yè)知識的設(shè)備供應(yīng)商來支持這項技術(shù)嗎？

　　這對我的應(yīng)用是最劃算的技術(shù)嗎？

　　2.4  在過程自動化領(lǐng)域大有前途的技術(shù)

　　雖然無線技術(shù)方案例如大功率900-MHz 無線信號已經(jīng)在油氣行業(yè)應(yīng)用多年，一些更新的無線技術(shù)仍然有希望在這一類過程工業(yè)中繼續(xù)取得進展。

　　自組織網(wǎng)絡(luò)對低成本工廠內(nèi)部監(jiān)控以及獲取來自于智能設(shè)備的診斷信息而言是一個理想的選擇。這些網(wǎng)絡(luò)在計劃、安裝以及擴展方面非常容易，具有內(nèi)在的可靠性而且升級能力較高。

　　Wi-Fi 技術(shù)可以將來自于工廠內(nèi)的低功率、短距離的無線設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)收集點，并允許移動工作人員獲取工廠信息。這種設(shè)計完善、基于標(biāo)準的技術(shù)可靠、耐用而且價格適中。
 
　　蜂窩技術(shù)－特指GSM/GPRS技術(shù)－對于遠離工廠的數(shù)據(jù)來源等應(yīng)用，例如監(jiān)測遠距離意外的儲存罐內(nèi)的庫存等，是一個很好的技術(shù)方案。 這種通信方式的基礎(chǔ)設(shè)施早已就位。

　　Wi-Max 可以適用于遠距離通信鏈路并可以提供整個工廠內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)主干和數(shù)據(jù)訪問。 RTLS可以連續(xù)跟蹤工作人員和設(shè)備的位置，在提供更有效的維護、操作以及改善安全方面頗具潛力。

　　3  總結(jié)

　　雖然如今的市場上各種無線技術(shù)豐富多彩， 它們的能力卻是千差萬別的。 對于過程自動化應(yīng)用而言，有些技術(shù)比其他 技術(shù)更加適用，但是沒有哪種單獨的技術(shù)方案可以適合于各種情況。所以，要選擇哪種技術(shù)需要您自己來決定，根據(jù)標(biāo)準哪種技術(shù)可以在應(yīng)用中獲得成功，那就是正確的技術(shù)。