如何选择工业应用的无线技术

无线技术正迅速应用于简单的监控、监控和数据采集(SCADA)。无线在恶劣和干扰严重的环境中提供了高度可靠的数据通信。与传统的基于电缆的电路相比，无线技术具有优势，包括增加灵活性、易于安装和节省成本。

无线技术已经从我们日常生活中使用的便利工具迅速发展成为在最苛刻的工业应用中收集信息和控制系统的手段。随着无线技术的快速发展，这项技术可以走得更远，通信更快，并提供更高的可靠性和安全性。由于这些改进，许多工业用户正在采用无线技术。虽然无线技术可能并不适用于所有应用，但它在工业领域肯定有自己的一席之地。

了解一些一般RF(射频)特性，例如距离和速度、传输方法以及各种可用的无线技术，将有助于就设施应该部署哪种技术或产品做出明智的决定。

RF的一般特性

在评估不同的传输方法和无线技术之前，对射频有一个基本的了解是很重要的。所有无线系统都在一定的频率上工作，进行一定距离的通信，并提供一定的空中(OTA)数据速率。这些属性相互影响，因此找到它们之间的平衡以满足特定应用程序的需求是很重要的。

频率

频率是无线电的关键标识符。无线电工作的频率决定了该系统是否无需许可证，或者是否需要来自当地监管机构(如FCC)的许可证。在美国，有三个常用的免许可证频段:900mhz、2.4 GHz和5ghz。这些通常被称为ISM(工业、科学和医疗)波段，由FCC分配用于免许可证的无线电操作。要使用这些免许可证频段之一，FCC要求无线电在特定的指导方针下运行，包括一些扩频技术。参见下面的“传输方法”。

如果一台无线电没有在指定的免许可证频段内工作，则必须向FCC提交使用该无线电的申请。这种类型的无线电被认为是有许可证的无线电，通常使用固定频率技术(也参见“传输方法”部分)。

传输距离

频率决定了一台无线电是否有许可证，并且在传输距离方面起着很大的作用。在无线电网络中，一旦信号离开天线并通过空气进行通信，能量就会在通信路径上继续损失。这种一般的能量损失被认为是自由空间损失，这是一个定义在一段距离上的频率损失能量的函数。图1显示了流行无线电频率下的自由空间随距离的损失。这张图表显示，随着频率和距离的增加，自由空间的损失也会增加。

基本原则:使用频率较低的技术会导致通信距离较大。

OTA (over -air)数据速率

收音机不是在一个频率工作的;相反，它在一个频段内工作。该频带可以整体使用，也可以以较小的部分使用，通常称为信道。在免许可证频段运行的无线电不能使用整个频段，必须使用信道。无线电工作的频谱(无论是整个频带还是特定信道)被认为是无线电的信道带宽。

无论采用何种传输方式，高速无线电都使用更宽的信道带宽。信道带宽是指无线电信号所能传输的数据量。它以在特定规定时间内传输的字节数(kbps或Mbps)来衡量。高速通信需要更宽的带宽，这使得高速无线电更容易受到干扰。这是因为在所使用的频段上存在干扰的可能性更高，而且每个数据位的能量更少。

每比特能量是指通过空气发送每比特数据所消耗的能量。传输速率越慢，每比特的能级就越高。每比特能量越高，可达到的传输距离就越大。因此，通过降低传输速度，可以获得更远的传输距离和更高的抗干扰能力。

基本原则:必须在距离和OTA数据速度之间进行权衡。OTA速度越慢，无线电系统的通信距离就越远。

传输方法

不同的无线传输方式有各种独特的特点。这些变化导致了在不同距离上通信不同数量数据的能力。下面定义的每一种无线技术都使用下列一种或多种传输模式。

固定频率以特定的信道宽度(通常很窄)在一个频率上传输信号。固定频率无线电通常有大功率发射器，需要许可证才能操作。

强干扰可以影响固定频率发射机，如果它在通道内或附近。许可要求可以防止附近的系统在同一通道中运行，从而降低了干扰的可能性。

跳频扩频(FHSS)通过使用发射机和接收机都知道的伪随机序列在多个频率信道之间快速切换载波来传输无线电信号。FHSS能够容忍干扰，因为如果在信道上被阻塞，传输将立即在下一跳重新发送。

直接序列扩频(DSSS)广播传输信号，该信号在设备发射频率的信道带宽上传播。用户数据在通过空中传输之前与“扩频码”相结合，形成宽带传输。接收机在解调过程中主要排除干扰。当去除扩频码以提取用户数据时，噪声信号同时被抑制。

正交频分复用(OFDM)在多个子载波频率上同时广播。每个子载波本质上是一个窄带传输，总的来说可以实现高数据速率。OFDM可以灵活地应对恶劣的信道条件。由于OFDM传输的复杂性较高，处理干扰的方法多种多样。窄带干扰是可以容忍的，因为有大量的交错子载波和类似DSSS的信道编码机制。

无线技术

各种各样的无线技术适合不同的应用。以下每种技术都使用一个频率和前面讨论过的一种或多种传输方法。下面的图表2显示了每种技术的理想工业应用。了解不同的无线技术将使我们更容易为特定的应用选择合适的技术。

IEEE 802.15.4 (WirelessHART/ISA 100.11a/ZigBee)

频率:一般2.4 GHz

距离:一般<300英尺

描述:

• 用于需要低数据速率的廉价、自组织的网状网络
• 由此产生的网络使用少量的电力，允许单个设备在原始电池上运行长达5年

专有扩频

频率:取决于制造商

距离:取决于制造商

描述:

• 无线电技术是设备制造商独有的，不能与其他制造商的设备一起运行
• 可定制以适合特定应用程序
• 根据功能和性能提供广泛的价格范围

许可的无线电

频率:400mhz

距离:通常为2-50英里

描述:

• 需要从当地监管机构(如FCC)获得频率许可证才能在一个固定频率上运行
• 用于长途链路，因为它使用大功率发射机(最高5瓦)

手机(GSM / GPRS / EDGE)

频率:850/1900 MHz(美国)

距离:全世界

描述:

• 全球可用的蜂窝技术，可以访问世界上任何有蜂窝服务器的地方
• 需要一个服务计划

蓝牙

频率:2.4 GHz

距离:一般<500英尺

描述:

• 用于电话，打印机，耳机和其他产品
• 工业产品使用蓝牙技术发送I/O、串行或以太网数据

无线局域网(IEEE 802.11 a/b/g)

频率:2.4 GHz/5 GHz

距离:一般1000 - 3000英尺

描述:

• 提供高达54 Mbps的高速无线数据网络
• 支持静态和移动应用程序的联网

了解不同之处

不同的无线技术是为不同的应用而设计的，因此了解其中的差异非常重要。了解这些差异可以让用户对特定应用程序的正确技术做出明智的决定。此外，了解无线通信的一般原理也是有用的。也就是说，通常使用的频率和OTA数据速率越低，可以实现的距离就越大。

无线通信不再只是消费行业的专利。这项技术在工业应用中占有一席之地。无线可以取代电缆，减少安装时间，并通过提供访问以前可能无法获得的数据的能力来提高工作效率。

-同时阅读控制工程：

具有集成WLAN回程的无线设备网关

I/O模块:来自控制工程订阅者的产品研究和建议

产业网络新产品区

控制工程工业无线覆盖- www.globalelove.com/wireless

---

- Ira Sharp是凤凰联络公司无线产品营销主管专家。www.phoenixcontact.com/wireless．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。