1  概述

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

　　然而，能夠適合于過(guò)程自動(dòng)化信息通信的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，僅有幾種而已。 在對無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用的要求中，安全性和可靠性尤為突出，而且，大多數工廠(chǎng)的“鋼鐵之谷”都會(huì )帶來(lái)在辦公和居住環(huán)境下少見(jiàn)的挑戰。 同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的升級和成本也是其中需要著(zhù)重考慮的方面。

　　即使在過(guò)程工業(yè)范圍內，不同的應用具有不同的要求，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(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足這些要求。 也就是說(shuō)，技術(shù)是否正確，部分取決于應用。

　　2  距離范圍和處理能力

　　為了幫助理解哪種無(wú)線(xiàn)技術(shù)最適合于不同的應用，我們從每種技術(shù)的相對距離范圍和數據吞吐量方面加以探討。

　　距離范圍。 每種短程技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信鏈路都大致在100米或低于100米的范圍之內。 有些短程技術(shù)可以通過(guò)多種鏈接的使用來(lái)覆蓋更長(cháng)的距離范圍。 通過(guò)將短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)和其他的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)結合使用，總發(fā)送距離也可以達到延長(cháng)的目的。

　　數據吞吐量。數據吞吐量類(lèi)似于數據頻率的概念，但是通常不包括通信協(xié)議中使用的“附加”位。數據吞吐量是一個(gè)很好的工具，可以用來(lái)判斷無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的真實(shí)性能和工作效率——當然吞吐量越大越好。

　　不管您期望短覆蓋范圍高數據率，還是長(cháng)覆蓋范圍低數據率，還是中間的某一種狀態(tài)，大概您都能找到一種方案來(lái)滿(mǎn)足要求。

　　2.1  常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)

　　紅外線(xiàn)

　　紅外線(xiàn)（IR）技術(shù)不是新事物。 事實(shí)上， 您可能每天都在使用它——大多數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(wú)線(xiàn)技術(shù)不同，紅外線(xiàn)技術(shù)利用光射線(xiàn)來(lái)傳送數據。 這種單向的信號傳輸距離非常之短，大致會(huì )少于25英尺，并且要求在發(fā)送器和接收器之間目視可見(jiàn)。 紅外線(xiàn)不能穿透墻壁或其他實(shí)體障礙。

　　紅外線(xiàn)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(wú)線(xiàn)打印，仍然很少有人喜歡這種方法，因為比起有線(xiàn)連接來(lái)它實(shí)在是太慢了。

　　數據傳輸速度太低，要求視線(xiàn)連接，發(fā)射范圍有限，對于大多數的過(guò)程自動(dòng)化通信而言，這些都是紅外技術(shù)顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)。

　　藍牙技術(shù)

　　藍牙技術(shù)用于體型較小、便宜、短程的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，例如電話(huà)、耳機、個(gè)人電腦、個(gè)人數字助理（PDA）等等。當藍牙設備處于另外一臺同樣設備的覆蓋范圍之內的時(shí)候，它們就可以在個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )（PAN）或 piconet 內自動(dòng)地進(jìn)行電子通信以分享數據。

　　每個(gè)藍牙個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )都可以容納最多8臺設備，每個(gè)設備都可以同時(shí)屬于幾個(gè)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )。 隨著(zhù)藍牙設備進(jìn)入和離開(kāi)覆蓋的范圍，個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )可以自動(dòng)地、動(dòng)態(tài)地實(shí)現。

　　藍牙通信工作于ISM頻段內的2.4GHz， 支持高達721Kbps的數據發(fā)送速度。 雖然藍牙技術(shù)規范在設備功率足夠大的時(shí)候允許高達100米的通信范圍，但是較常見(jiàn)的范圍都在1～10米以?xún)取?

　　藍牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它的無(wú)線(xiàn)、自動(dòng)和便宜的特點(diǎn)，所以它很適用于辦公室應用。 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(dòng)化用途。

　　ZigBee 技術(shù)

　　ZigBee 是一種通信協(xié)議，設計用于小型、低價(jià)、省電的數字無(wú)線(xiàn)設備的低數據率應用，例如建筑自動(dòng)化，醫療設備和嵌入式傳感器等等。

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

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

　　功率  雖然有些ZigBee設備可以使用一塊堿性電池支撐一到兩年的時(shí)間，實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )耗電要求卻復雜得多。這是因為ZigBee網(wǎng)絡(luò )應用兩種類(lèi)型的設備：精簡(jiǎn)功能設備和全功能設備。

　　· 精簡(jiǎn)功能設備是一種低功率發(fā)送接受網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，但是它能同全功能設備進(jìn)行“對話(huà)”。

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

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

　　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(jìn)行動(dòng)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 )中的設備都同時(shí)作為相鄰設備的路由器，所以假若由于距離和障礙的原因一臺設備不能 同網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，那么它的信號將由一臺或多臺無(wú)線(xiàn)設備通過(guò)到主機系統的開(kāi)放通路進(jìn)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(guò)設備－設備－設備的路徑（稱(chēng)作“多跳頻”）進(jìn)行傳遞，所以在信號源到目的地之間不要求有視線(xiàn)路徑，所以也就沒(méi)有費用昂貴的場(chǎng)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 )中低功率設備的發(fā)射范圍有限的缺點(diǎn)。自組織網(wǎng)絡(luò )中的信號用不著(zhù)“一路呼嘯”著(zhù)從信號源發(fā)射到目的站，只需“靜悄悄”地從設備發(fā)射到設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 )中的所有設備均可作為其他設備的路由器（或“全功能”設備），因此擴展容易。新的授權設備可以被自動(dòng)識別并添加到網(wǎng)絡(luò )中。有些供應商還隨著(zhù)自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)方案同時(shí)提供先進(jìn)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(chǎng)內過(guò)程自動(dòng)化應用的可靠選擇。

　　Wi-Fi 技術(shù)

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

　　Wi-Fi技術(shù)建立在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的標準家族IEEE802.11之上。 事實(shí)上， Wi-Fi和802.11這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)?；Q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 設備可以以接近于有線(xiàn)連接的速度來(lái)傳輸數據，傳輸的距離通常為大約100米。取決于設備和條件的不同，傳輸距離可以更大。 同其他無(wú)線(xiàn)信號相比， Wi-Fi 信號可以根據材料的密度和信號強度的不同，穿越墻壁和其他的實(shí)體物理障礙。

　　由于Wi-Fi技術(shù)基于開(kāi)放式標準，鼓勵設備到平臺之間的互操作性，所以在市場(chǎng)上也越來(lái)越流行。而 眾多Wi-Fi 開(kāi)發(fā)商和制造商之間的競爭，使得耐用、易用而廉價(jià)的產(chǎn)品大量出現。

　　最后，Wi-Fi技術(shù)還作出了巨大的努力，來(lái)推出保護信號傳輸的安全措施（例如加密技術(shù)）。

　　在過(guò)程工業(yè)應用中，Wi-Fi技術(shù)用于覆蓋低功率短距離設備之間的距離十分理想，這些設備常用于無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )、控制室或其他的數據收集點(diǎn)， 例如您可以利用Wi-Fi 將來(lái)自于自組織網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)的數據整合到主機系統中去，如DCS，PLC，或歷史數據記錄器等等。

　　Wi-Fi還可以用于為移動(dòng)狀態(tài)的工作人員提供訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )的途徑，包括關(guān)鍵過(guò)程信息、歷史數據、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(jìn)行電子編程的小型射頻應答器（稱(chēng)為射頻標簽）。然后這個(gè)數據可以從一定距離之外進(jìn)行閱讀。這種技術(shù)的一個(gè)常見(jiàn)的應用是“收費電子標簽”，這種標簽允許司機無(wú)需每次停車(chē)繳費即可通過(guò)收費點(diǎn)；還可以應用于庫存跟蹤應用。 有些標簽甚至可以更新，例如當產(chǎn)品離開(kāi)裝配線(xiàn)的時(shí)候進(jìn)行的標簽更新。

　　RFID可能在跟蹤工廠(chǎng)設備或大量產(chǎn)品方面十分有用。 但是您不可能為管道中流動(dòng)的東西來(lái)加上標簽。 而且，由于FRID信息是靜態(tài)的，必須經(jīng)過(guò)編程變成標簽形式，所以不能用于經(jīng)常變化的測量或診斷數據。

　　實(shí)時(shí)定位服務(wù)（RTLS）

　　實(shí)時(shí)定位服務(wù)（RTLS）將位置跟蹤功能同已有的802.11(Wi-Fi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結合起來(lái)，實(shí)現對移動(dòng)工作人員、工廠(chǎng)設備和其它有價(jià)值的資源進(jìn)行定位。

　　實(shí)時(shí)定位服務(wù)系統可以進(jìn)行實(shí)時(shí)位置的圖形顯示，對象包括無(wú)線(xiàn)設備、筆記本電腦、PDA，或任何其他攜帶有RTLS Wi-Fi 標簽的人或物品。 系統可以根據當前的標簽位置來(lái)更新數據庫，更新頻率可以高達數秒每次，也可以對那些甚少移動(dòng)的物體每數小時(shí)一次。 更新頻率可以影響到配置標簽的數量和電池壽命。典型的應用系統可以同時(shí)跟蹤多達數千個(gè)標簽，平均標簽電池壽命可以達到5年或更長(cháng)。

　　RTLS 具有相當的潛在應用價(jià)值。 例如帶有RTLS標簽的設備在安裝或周轉期間可以更容易地被發(fā)現位置。 處于移動(dòng)狀態(tài)的工作人員也可以很快進(jìn)行定位，有利于進(jìn)行更有效的工作安排，或作為應急響應系統的一部分。

　　2.2  長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)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(xiě)，設計用于城市大小的區域內的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。 它可以將Wi-Fi熱點(diǎn)相互之間以及同因特網(wǎng)之間進(jìn)行連接，為硬線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)點(diǎn)之間“最后一哩”的連接。

　　基于城域網(wǎng)（MANs）的IEEE 802.16規范，WiMax 使用的頻率在從2～11GHz的范圍之間，提供高數據吞吐量（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(cháng)到50公里（30英里）。

　　在過(guò)程工業(yè)中，這種新興技術(shù)可能比較適合于長(cháng)距離鏈接并提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的主干和整個(gè)工廠(chǎng)范圍內的數據訪(fǎng)問(wèn)。

　　大功率900MHz無(wú)線(xiàn)信號

　　無(wú)線(xiàn)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，為許多偏僻地區提供硬線(xiàn)通信連接難于操作且費用高昂。

　　大功率900MHz無(wú)線(xiàn)信號在適應SCADA（監控與數據采集系統）的遠距離（10～20英里）和相對較窄的帶寬方面有著(zhù)比較長(cháng)久和成功的歷史記錄。這種狀況一時(shí)之間難以改變。

　　然而需要改變的是這些通信應用中的數據類(lèi)型。特別是，隨著(zhù)有些領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)始成熟，企業(yè)可以利用設備的診斷和其他信息來(lái)提高他們的生產(chǎn)設備的生產(chǎn)能力。 由于在這些應用中的I/O接口數量較少，額外的數據不應對900MHz頻帶在帶寬方面的局限性帶來(lái)較大的挑戰。

　　蜂窩技術(shù)

　　當我們在網(wǎng)絡(luò )“蜂房”中旅行時(shí)， 蜂窩技術(shù)將我們的電話(huà)自動(dòng)地從一個(gè)發(fā)射塔傳遞到另外一個(gè)發(fā)射塔，從而完成移動(dòng)通信。

　　蜂窩設備供應商們通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò )發(fā)射塔和其他的基礎設施來(lái)支持移動(dòng)電話(huà)人數的快速增加。其結果是，最后即使在許多偏遠的地區也被蜂窩網(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(gè)從遙遠地區進(jìn)行過(guò)程自動(dòng)化數據收集的不錯的選擇。這種方法比起派人工進(jìn)行手動(dòng)數據收集來(lái)說(shuō)，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(guò)程工業(yè)的應用。例如，全球移動(dòng)通信系統（GSM）應用廣泛，它的通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（GPRS）也是無(wú)線(xiàn)數據傳輸的良好選擇。 GPRS是通過(guò)將數字數據包裹在GSM移動(dòng)電話(huà)的數字化語(yǔ)音信號之上分層進(jìn)行發(fā)送的。

　　GSM/GPRS是全球大多數地區包括歐洲、亞洲和非洲都使用的蜂窩技術(shù)。在全球范圍內，大約今天有70％或以上的移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)使用的是GSM/GPRS技術(shù)。 這些網(wǎng)絡(luò )利用TDMA(時(shí)分多址)，通過(guò)交互頻率和預定時(shí)隙來(lái)傳輸數字語(yǔ)音和數據。

　　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(yǔ)音和數據在同一時(shí)間內通過(guò)整個(gè)指定的頻譜進(jìn)行發(fā)送。

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

　　衛星技術(shù)缺乏標準，這就增加了同其他系統或相同技術(shù)的未來(lái)版本整合上的技術(shù)風(fēng)險。

　　總體而言， 衛星通信應留給專(zhuān)門(mén)的窄帶應用， 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 )難以覆蓋的地區的移動(dòng)資產(chǎn)追蹤，等等。

　　2.3  評估標準

　　雖然您已經(jīng)看到有些無(wú)線(xiàn)技術(shù)并不適用于過(guò)程自動(dòng)化的應用，但是也有些可以。那么到底您應該選擇哪一種呢？

　　答案是：“看具體情況而定”。 沒(méi)有一種技術(shù)可以滿(mǎn)足所有的應用。而且，您應該為您的特定的應用制定可以成功的標準，然后對每種技術(shù)的能力進(jìn)行評估，使之達到您的標準。

　　下面是您在評估中需要考濾的一些問(wèn)題：

　　哪種無(wú)線(xiàn)技術(shù)最適合于整合到我的主機系統或數據管理系統？

　　無(wú)線(xiàn)設備之間的最大距離是多少？

　　我需要哪種層次的安全措施？

　　多高的數據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(méi)有，我需要多長(cháng)時(shí)間更換一次電池呢？

　　工廠(chǎng)內有哪些種類(lèi)的障礙和干擾？

　　工廠(chǎng)里還支持和使用哪些其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)？

　　要采用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以同現有的儀表設備和裝置，例如現有的HART儀表很好地協(xié)調工作嗎？

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的擴展和保持技術(shù)方便嗎？

　　有開(kāi)放式標準和具有豐富專(zhuān)業(yè)知識的設備供應商來(lái)支持這項技術(shù)嗎？

　　這對我的應用是最劃算的技術(shù)嗎？

　　2.4  在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域大有前途的技術(shù)

　　雖然無(wú)線(xiàn)技術(shù)方案例如大功率900-MHz 無(wú)線(xiàn)信號已經(jīng)在油氣行業(yè)應用多年，一些更新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)仍然有希望在這一類(lèi)過(guò)程工業(yè)中繼續取得進(jìn)展。

　　自組織網(wǎng)絡(luò )對低成本工廠(chǎng)內部監控以及獲取來(lái)自于智能設備的診斷信息而言是一個(gè)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，具有內在的可靠性而且升級能力較高。

　　Wi-Fi 技術(shù)可以將來(lái)自于工廠(chǎng)內的低功率、短距離的無(wú)線(xiàn)設備的數據傳輸到中央數據收集點(diǎn)，并允許移動(dòng)工作人員獲取工廠(chǎng)信息。這種設計完善、基于標準的技術(shù)可靠、耐用而且價(jià)格適中。
 
　　蜂窩技術(shù)－特指GSM/GPRS技術(shù)－對于遠離工廠(chǎng)的數據來(lái)源等應用，例如監測遠距離意外的儲存罐內的庫存等，是一個(gè)很好的技術(shù)方案。 這種通信方式的基礎設施早已就位。

　　Wi-Max 可以適用于遠距離通信鏈路并可以提供整個(gè)工廠(chǎng)內的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主干和數據訪(fǎng)問(wèn)。 RTLS可以連續跟蹤工作人員和設備的位置，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

　　雖然如今的市場(chǎng)上各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)豐富多彩， 它們的能力卻是千差萬(wàn)別的。 對于過(guò)程自動(dòng)化應用而言，有些技術(shù)比其他 技術(shù)更加適用，但是沒(méi)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(lái)決定，根據標準哪種技術(shù)可以在應用中獲得成功，那就是正確的技術(shù)。