開發(fā)無線測量系統(tǒng)

概覽

無線通信為測量應(yīng)用提供了許多技術(shù)優(yōu)勢，其中包括更低的布線成本和遠程監(jiān)測功能。然而，如果不了解每項無線標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)優(yōu)勢和不足，選擇一項技術(shù)及其實現(xiàn)方法都會非常困難。

該文檔討論了市場上可用的各項無線技術(shù)，并展示了如何利用NI測量硬件和NI LabVIEW發(fā)揮無線技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢。

面向測量與自動化的無線技術(shù)

在過去的數(shù)年中，無線通信技術(shù)已經(jīng)遍及各個領(lǐng)域，這在相當(dāng)程度上要歸功于消費類電子產(chǎn)品。現(xiàn)在有數(shù)百家無線設(shè)備制造商，就有同樣多的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。理解每一項技術(shù)的優(yōu)勢和不足可以使得技術(shù)選擇過程更為簡便。這一點在不能損害測量數(shù)據(jù)的測量與自動化中尤為重要，即使在借助射頻波形時亦是如此。您可以利用下列無線技術(shù)改善測量系統(tǒng)。每項技術(shù)具有不同的技術(shù)優(yōu)勢與特性。

Wi-Fi與802.11 b/g：IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)包含了一系列的無線局域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)涉及無線終端與基站間的空中接口以及兩個無線終端間的通信。最初的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)在2.4 GHz頻帶定義了1 Mb/s或2 Mb/s的通信速率。傳輸方法包括跳頻擴頻通信(FHSS)和直接序列擴頻通信(DSSS)。

作為該標(biāo)準(zhǔn)的拓展，802.11b(被稱為Wi-Fi)，使得無線網(wǎng)絡(luò)在家庭和辦公場所廣為應(yīng)用。這一變化在2.4 GHz頻帶提供了11 Mb/s的傳輸速率。

802.11g標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)環(huán)境與噪聲條件的不同提供了20 Mb/s或者更高的帶寬。由于該標(biāo)準(zhǔn)的可靠性、安全性和已為市場驗證的良好記錄，它被NI應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集。。您可以在該文檔的后續(xù)部分發(fā)現(xiàn)關(guān)于NI 無線數(shù)據(jù)采集(DAQ)產(chǎn)品的更多信息。

IEEE 802.11的關(guān)鍵特性：

工作頻率：b/g – 2.4 GHz

數(shù)據(jù)速率：B/g – 11 Mb/s、g – 54 Mb/s

傳輸距離：b/g – 100米

聯(lián)網(wǎng)：點對多點

功耗：高

藍牙(802.1a)：一個由愛立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝等公司組成的企業(yè)聯(lián)盟定義了這一標(biāo)準(zhǔn)。該無線通信標(biāo)準(zhǔn)的主要目的在于使得設(shè)備間的短距離(通常低于10米)通信更為方便。然而，這一標(biāo)準(zhǔn)并沒有像802.11那樣一舉成功，這主要是因為距離限制和射頻芯片的價格。PC外設(shè)連接、電話與頭戴式耳機的連接和PDA經(jīng)常使用這一標(biāo)準(zhǔn)。該無線標(biāo)準(zhǔn)工作于2.4 GHz頻段，并使用高斯頻移鍵控(GFSK)進行數(shù)據(jù)調(diào)制。該頻譜劃分為79個頻道，相鄰頻道間距為1 MHz。與802.11標(biāo)準(zhǔn)相似，藍牙基于安全考慮采用跳頻技術(shù)，頻道改變高達1600次/秒。

藍牙技術(shù)在測量應(yīng)用中的挑戰(zhàn)在于受限的數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍。其配置與安全性也不及802.11g標(biāo)準(zhǔn)廣泛。

藍牙(802.1a)的關(guān)鍵特性：

工作頻率：2.4 GHz

數(shù)據(jù)速率：1 Mb/s

傳輸距離：10-100米

聯(lián)網(wǎng)：臨時特設(shè)

功耗：適中

GPRS、GSM：通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)是一項面向跨移動電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收信息的非語音業(yè)務(wù)。利用GPRS，您可以在數(shù)據(jù)生成的同時即時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只要射頻信號可用。不同于傳統(tǒng)的地面線路，該系統(tǒng)不要求建立連接——因為它總是處于連接狀態(tài)。對于時間和對事件的快速反應(yīng)都很關(guān)鍵的應(yīng)用，這便是優(yōu)勢所在。GPRS在現(xiàn)有的電路交換的全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)上疊加了一個基于分組的空中接口。理論上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為172.2 kB/s，但是，它假定只有一個用戶在所分配的時隙上進行通信并沒有采用差錯保護。然而，實際速率往往低于固定網(wǎng)絡(luò)，并在很大程度上依賴于外周結(jié)構(gòu)、射頻信號強度和用戶數(shù)。

GSM的關(guān)鍵特性：

工作頻率： GSM-850采用824-849 MHz從移動終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用869-894 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息。GSM-1900采用1850-1910 MHz從移動終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用1930-1990 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息。GSM-900采用890-915 MHz從移動終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用935-960 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息，提供了124條相鄰間隔為200 kHz的RF通道。雙工間隔為45 MHz。GSM-1800采用1710-1785 MHz從移動終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用1805-1880 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息，提供了299個通道。雙工間隔為95 MHz。

數(shù)據(jù)速率：172.2 kb/s

傳輸距離：b35 km

聯(lián)網(wǎng)：點對點

功耗：低~高，取決于發(fā)射器的復(fù)雜度

無線調(diào)制解調(diào)器與專有網(wǎng)絡(luò)：許多廠商提供了專為各種惡劣環(huán)境(如極端的溫度范圍、高沖擊和高振動條件)設(shè)計的工業(yè)級調(diào)制解調(diào)器?？晒┦褂玫漠a(chǎn)品的頻率范圍覆蓋了從窄帶(UHF、VHF)到無需許可的寬頻。典型情況下，窄帶需要獲得許可，提供更長的傳播范圍和優(yōu)異的傳播性能，即使在超出視距的情況下也能支持信號傳輸，適合需要低帶寬的應(yīng)用。擴頻特性意味著不必需要許可，提供短程、中程和長程傳輸能力，一般要求在視距范圍內(nèi)，適合中等帶寬和高帶寬的應(yīng)用。

無線的技術(shù)優(yōu)勢

面向測量應(yīng)用的無線技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢在于，能夠最小化或者避免電線和電纜的使用。根據(jù)應(yīng)用與環(huán)境的不同實際狀況，物理布線可能會相當(dāng)昂貴、不便，或者甚至無法實現(xiàn)。其應(yīng)用范例包括平臺的移動/旋轉(zhuǎn)、移動應(yīng)用(如車輛和起重機)和使布線工作復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)。

無線通信還拓展了數(shù)據(jù)采集與I/O的距離或范圍，使其超越了布線方式下的實際性能。因此，大規(guī)模操作，如水處理和儲罐區(qū)，廣泛使用了無線技術(shù)。雖然無線聯(lián)網(wǎng)硬件所需的初始投資或許會高于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)的硬件，但是包括系統(tǒng)安裝開銷和運營成本在內(nèi)的整個系統(tǒng)的成本通常會有顯著的下降。

在選擇一個無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方式時，您應(yīng)當(dāng)考慮多個因素：

性能

范圍

安全性

性能

在考慮性能時，考慮頻譜的大小、距離、數(shù)據(jù)速率、功率、用戶數(shù)和技術(shù)的兼容性都很重要。

即使不同的無線標(biāo)準(zhǔn)定義了具體的數(shù)據(jù)速率，實際上，您在實際應(yīng)用中所能期望看到的數(shù)據(jù)速率只是理論上最大吞吐量的約30%或者更少。RF干擾與用戶數(shù)目等因素影響著無線網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，如果您正在使用多個兼容的標(biāo)準(zhǔn)，典型情況下，較慢的標(biāo)準(zhǔn)制約著較快的標(biāo)準(zhǔn)。例如，當(dāng)在同一個網(wǎng)絡(luò)中使用802.11b組件和802.11g組件時，802.11g組件的數(shù)據(jù)速率會降至802.11b的數(shù)據(jù)速率。

范圍與吞吐量之間存在一個不變的平衡。您的硬件應(yīng)當(dāng)自動感知信號的強度(除非您能夠以別的方式辨別)，并在您的信號減弱時倒退選用合適的傳輸速率。例如，如果您正在使用802.11b，速率從11Mb/s自動降低為5.5 Mb/s、2 Mb/s，甚至為1 Mb/s。對于絕大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)連接，這樣的帶寬已經(jīng)是足夠了。

范圍

通常，一臺無線設(shè)備的范圍隨頻率的升高而下降，但并非總是如此。測試表明，802.11g與802.11b相比，具有相同的范圍，或者可能少許占優(yōu)，即使他們使用相同的頻率。市場上提供專為擴大筆記本電腦的無線范圍(通過提高板卡的功率使其超過Wi-Fi的認(rèn)證極限100 mW)而設(shè)計的設(shè)備。在為您的系統(tǒng)購買額外的接入點前，考慮添置一個范圍拓展卡，如果您所在地的監(jiān)管機構(gòu)允許如此。

方向天線通常在點對點應(yīng)用中最為有意義。它們將信號聚焦于一個窄束，而不是任其像您基站中的等向性天線那樣向各個方向輻射。您將發(fā)現(xiàn)的是，天線的增益越高，信號束的聚焦越窄。因而，當(dāng)增益提高時，恰當(dāng)?shù)貙?zhǔn)天線的必要性也在加大。這樣加大了接收者如果沒有恰當(dāng)布置而丟失所傳送的數(shù)據(jù)的風(fēng)險。典型情況下，方向性天線按其增益評級銷售。您可以在每個天線的“信號束寬”的描述中觀察到增益的影響。

安全性

在安裝無線網(wǎng)絡(luò)時一個主要的考慮便是安全性。無線網(wǎng)絡(luò)同時在商用市場和家居市場的快速成長和普及，催生了許多不同應(yīng)用的實現(xiàn)，其中包括隱私信息的傳送。對隱私保護的渴求推動了無線安全協(xié)議的發(fā)展，并繼續(xù)激勵人們?yōu)槭篃o線技術(shù)更為安全付出更多努力。

最初的802.11標(biāo)準(zhǔn)包含了一個被稱為有線等效私密(WEP)的安全協(xié)議，它以足夠的強度加密數(shù)據(jù)分組阻止了絕大多數(shù)的竊聽者，但仍存在著一些不足。業(yè)界需要一個強度更高的加密/認(rèn)證系統(tǒng)，這促成了IEEE 802.11i(通常稱為WPA2)的實現(xiàn)。WPA2提供了可擴展的認(rèn)證協(xié)議(EAP)和高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)——一種由NIST認(rèn)可并要求在所有美國政府設(shè)施中采用的128-位加密算法。

另一個安全措施便是最小化無線電波在一個設(shè)施的物理控制區(qū)域的外部的傳播。這使得無線網(wǎng)絡(luò)變得更為安全，因為這樣降低了竊聽和拒絕服務(wù)攻擊的可能性。

您可以在這里找到關(guān)于無線安全的更多信息。

將無線功能添加至測量系統(tǒng)

Wi-Fi與802.11 b/g：NI 無線數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，依靠標(biāo)準(zhǔn)的、可信賴的技術(shù)，提供簡單、安全的測量，以及高性能的數(shù)據(jù)流功能。您可以實時查看數(shù)據(jù)，將動態(tài)波形測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為高達每通道51.2 kS/s的數(shù)據(jù)流。此外，內(nèi)置的信號調(diào)理提供了與各種傳感器的連接，其中包括熱電偶、加速計和負(fù)載元件等。這些設(shè)備利用了NI C系列測量與控制模塊，它們還可以用于USB數(shù)據(jù)采集和NI CompactRIO可編程自動化控制器(PAC)。

利用WPA2——商業(yè)可用的最高等級網(wǎng)絡(luò)安全，無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備保護您的系統(tǒng)免遭不希望的訪問。認(rèn)證確保只有通過授權(quán)的設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)進行訪問，加密防止了數(shù)據(jù)分組被中途截取。無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持多種可拓展的認(rèn)證協(xié)議(EAP)方法，它們?yōu)镈AQ設(shè)備和無線接入點之間提供相互認(rèn)證。它們還支持128-位AES加密，這種加密方法已被NIST認(rèn)可并且要求在所有美國政府的設(shè)施中采用這一方法。利用強大的安全協(xié)議，您可以將無線連接安全地吸納到現(xiàn)有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。

無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含NI-DAQmx驅(qū)動程序和測量服務(wù)軟件，后者包括直觀的應(yīng)用編程接口、配置例程、I/O助手以及專為減少系統(tǒng)搭建、配置和開發(fā)所需時間的工具。

根據(jù)您所使用的NI測量與控制硬件的不同，您可以有其他不同的選擇。所有的NI PAC具有以太網(wǎng)端口的特性。您可以將一個NI PAC(如NI緊湊FieldPoint、CompactRIO、緊湊視覺系統(tǒng)或PXI系統(tǒng))與一個Wi-Fi接入點(如NI WAP-3701)相連接。這一操作使您的系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)即刻可用，而且通信也是透明的，就如同該系統(tǒng)與有線網(wǎng)絡(luò)相連一樣工作。

對于帶有NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的臺式機PC或筆記本電腦，您可以使用計算機的以太網(wǎng)端口與Wi-Fi接入點以及商業(yè)可用的PCMCIA和PCI Wi-Fi適配器相連。幾乎所有的新推出膝上計算機和筆記本電腦都具有內(nèi)置Wi-Fi功能的特性。

當(dāng)使用LabVIEW和TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議時，您的應(yīng)用可以在設(shè)備間正向或反向發(fā)送數(shù)據(jù)，而且無論是采用物理上的以太網(wǎng)線纜還是空中無線電波作為傳輸媒介，它都可以透明地傳輸數(shù)據(jù)。

例如，LabVIEW為TCP通信提供了許多內(nèi)置函數(shù)(參見圖1)。無論測量系統(tǒng)是通過線纜還是無線調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)相連，這些函數(shù)都以同樣的方式工作。

圖1.LabVIEW中關(guān)于TCP的VI

藍牙或802.1a：當(dāng)前版本的藍牙技術(shù)(甚至包括新拓展的范圍1類規(guī)范)最適合基于通用操作系統(tǒng)(如Windows)的系統(tǒng)。當(dāng)使用PC作為測量系統(tǒng)的主機系統(tǒng)時，您可以利用LabVIEW的內(nèi)置藍牙函數(shù)庫(參見圖2)。有多個串口至藍牙和USB至藍牙的適配器可用于在臺式機或膝上計算機上添加藍牙功能。許多新推出的膝上計算機已經(jīng)具備內(nèi)置藍牙收發(fā)器的特性。許多PDA也包含了藍牙通信的功能，通過LabVIEW PDA模塊，您也可以編程訪問該藍牙通信功能。

圖2 .LabVIEW藍牙函數(shù)

GPRS、GSM：通過配置使您的測量系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送數(shù)據(jù)，可能比利用其他技術(shù)更為復(fù)雜。下面列出了是一些啟動所需的事項：

一個支持GPRS的終端

訂閱支持GPRS的移動電話網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)(注意：使用GPRS必須針對具體用戶進行配置。一些移動服務(wù)提供商允許自動訪問GPRS網(wǎng)絡(luò)，而其他移動服務(wù)提供商或許會要求一個明確的功能訂閱。)

發(fā)送和/或接受GPRS數(shù)據(jù)所需的一些技術(shù)細節(jié)，取決于您所使用的具體硬件，也包括軟硬件的配置

通過GPRS發(fā)送或接收信息的目的端(注意：目的端可以是一個URL、另一個支持GPRS的設(shè)備(或者接受數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用)或者一只移動電話。)

一些選項是專為NI硬件設(shè)計的(參見圖3)，如由S.E.A.科學(xué)與工程應(yīng)用數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司(SAE)開發(fā)的面向CompactRIO的GPRS/GSM模塊。利用該模塊，您可以通過移動電話網(wǎng)絡(luò)遠程控制和監(jiān)測無法訪問的、移動測量系統(tǒng)。一個額外的GPS模塊可用于精確的位置定位。分布式系統(tǒng)可以通過RCC模塊實現(xiàn)時間同步。面向這些測量數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的平臺是CompactRIO系統(tǒng)。該平臺與cRIO Gxxx移動模塊相結(jié)合，為汽車、船舶、航空和遠程服務(wù)等應(yīng)用的移動系統(tǒng)提供了頗具吸引力的解決方案。cRIO Gxxx移動組合模塊提供了GPRS、GPS和射頻時鐘等功能特性。該模塊支持位置定位和測量數(shù)據(jù)或事件信息的傳輸。此外，小尺寸數(shù)據(jù)分組或參數(shù)可以作為文本信息(SMS)雙向交換。

圖3.cRIO Gxxx模塊與NI CompactRIO系統(tǒng)(感謝S.E.A提供)

該技術(shù)的典型應(yīng)用有器具、ATM終端、汽車、遠程數(shù)據(jù)收集、氣泵、工業(yè)與醫(yī)療遠程監(jiān)測系統(tǒng)、遠程診斷學(xué)、遠程測量、安全系統(tǒng)和自動售貨機/游戲機等。

無線調(diào)制解調(diào)器與專有網(wǎng)絡(luò)：許多公司提供了可以工作于自由頻段或私有許可頻段的工業(yè)級設(shè)備。一個專有的RF網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于您擁有這個系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸所采用的頻率。它支持實時數(shù)據(jù)交換，在典型情況下，您不再需要重新訂閱或支付使用花費。根據(jù)您的測量設(shè)備、距離、安全性和成本等不同的要求，您可以從多種類型的調(diào)制解調(diào)器中進行選擇，其中，大多數(shù)的調(diào)制解調(diào)器都使得無線連接對于軟件透明。

總結(jié)

通過在您的現(xiàn)有或新的測量系統(tǒng)中添加無線通信功能，您可以顯著地增強其適用范圍與靈活性，甚至可以降低成本。無論您是在使用NI 無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備、配有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的PC或膝上計算機還是NI PAC，支持系統(tǒng)進行無線通信所需的必要連接都已就緒可用。隨著無線技術(shù)的演進和成本與復(fù)雜度的降低，您僅需將它們集成到您的測量系統(tǒng)中，您的系統(tǒng)也會取得相同的改進。