怎樣選擇適合您應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)？

　　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)亟邮盏街噶詈螅嚰磿鄳?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。快速瀏覽上圖就能發(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。

　　設(shè)d = 距離（米）

　　l=波長（米）

　　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。

　　設(shè)R = 接收到的信號強(qiáng)度

　　Pt= 發(fā)射功率

　　Gant = 天線增益

　　L = 路徑損耗

　　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。