工业无线通信的墨菲七定律

将无线技术应用于工业通信并不一定像墨菲定律那样困难(如果有任何事情会出错，它会)，只要你记住工业无线通信的墨菲7定律。你知道无线问题的头号原因是什么吗?这包括在下面。

1.你无法战胜物理定律。使用尽可能低的频率。

即使是墨菲也不会与物理学争论。工业应用程序通常在“免许可证”ISM频段中运行，这些频段因国家而异。最常见的频率是:

• 2.4 ghz——几乎覆盖全球;
• 915 MHz频段北美，南美，其他一些国家;而且
• 868 MHz频段欧洲。

射频(RF)功率以毫瓦(毫瓦;mW)或以分贝(dB)为对数刻度，或以1mw功率为分贝(dBm)。由于射频功率衰减为对数函数，dBm刻度是最有用的。这些比例尺的关系如下:

1mw = 0 dBm	功率增加2倍会产生3分贝的信号。
2mw = 3dbm	功率增加10倍会产生10分贝的信号。
4mw = 6 dBm	功率增加100倍会产生20分贝的信号。
10mw = 10dbm
100mw = 20 dBm
1w = 30dbm

随着频率的增加，可用带宽通常会增加，但距离和克服障碍的能力会降低。对于任何给定的距离，与900 MHz相比，2.4 GHz的安装将有大约8.5 dB的额外路径损耗。然而，较低的频率需要更大的天线才能获得相同的增益。

2.协议和软件可能对无线网络完全不友好。确保你的应用软件不会卡住。

在尝试完美的无线安装之前，请先考虑无线通信对应用程序的影响。可接受的误码率比有线通信高几个数量级。大多数无线电都默默地为您处理错误检测和重试，代价是吞吐量和可变延迟。

软件必须设计良好，通信协议必须容忍可变延迟。并不是每个协议都能容忍简单地用无线电代替电线。对字节间延迟敏感的协议可能需要特别注意或来自无线电的特定协议支持。事先做好准备工作，以确认您的软件不会阻塞，预期的无线电对您的协议是友好的，并且您的应用程序软件也可以处理它。

3.发射功率并不一定等于远程性能。你必须知道接收灵敏度。

无线电越敏感，它能成功接收到的功率信号就越低，一直延伸到噪声层。无线电灵敏度的“规格”五花八门，很难对产品进行有意义的比较。除非您处于高射频噪声环境中，否则噪声底极有可能远低于接收灵敏度，因此制造商的额定接收灵敏度将是无线系统和距离估计的关键因素。

您通常可以通过降低空中的数据速率来提高接收灵敏度，从而提高范围。许多无线电给用户能力降低通信速率，以最大限度地扩大范围。此外，接收灵敏度提高在较低的频率，给予900 MHz无线电一个显著的范围优势。

与流行的观点相反，对给定无线电信号的范围作出合理的预测并不需要什么魔法。

成功接收无线电信号的数学表达式为:

TX功率+ TX天线增益-路径损耗-布线损耗+ RX天线增益

- 10dB衰减裕度> RX无线电灵敏度或(不太常见)射频噪声下限

以上大多数参数都很容易从无线设备制造商的数据中获得。这就只剩下路径损耗和在严重射频干扰的情况下，射频噪声底限作为必须为安装建立的两个参数。

4.意想不到的背景无线电噪音会破坏你的安装;先找到它。

射频背景噪声来自许多来源，从太阳活动到高频数字产品，再到各种形式的其他无线电通信。背景噪声建立了一个噪声底，在这个点上，所需的信号丢失在背景喧嚣中。

如果您的环境在您的频带内有高度的射频噪声，则在计算时使用噪声下限数字而不是无线电接收灵敏度。有疑问的时候，看看周围。如今，天线无处不在——在建筑物、水塔、广告牌、烟囱上，甚至伪装成树木。干扰可能并不明显。

5.大自然可以对信号强度造成严重破坏。总是给自己一个安全裕度。

渐变边际是无线成功的关键。衰减余量描述的是在不导致系统性能下降到可接受值以下的情况下，接收到的信号可以减少多少dB。从一个新安装的无线设备上走开，却不知道有多少渐变裕度是无线问题的首要原因。

在良好的天气条件下建立不小于10dB的衰减裕度实际上可以确保系统在各种天气、太阳能和射频干扰条件下继续有效运行。室外条件也需要一个保护柜或选择IP67室外无线设备(如B&B Electronics的Zlinx Xtreme无线电和I/O模块;(见图)来对付大自然。(见下一条关于无线信号障碍的定律;金属不是你的朋友。)

6.只有永远的乐观主义者才会在制造商宣传的最大距离上尝试一个系统。记住现实世界:远离障碍，保持视线。

在空气中的清晰路径中，无线电信号随距离的平方而衰减。两倍的航程需要增加四倍的功率，因此:

• 距离减半，路径损耗减少6dB。
• 距离加倍，路径损耗增加6dB。

当在室内时，路径往往更复杂，所以使用更积极的经验法则，如下所示:

• 距离减半，路径损耗减少9dB。
• 距离加倍，路径损耗增加9dB。

无线电制造商宣传“视线”距离数字。视线意味着，从天线A，您可以看到天线b。对于路径中的每个障碍物，降低路径中每个障碍物指定的“视线”图。障碍物的类型、位置和数量都会影响路径损失。靠近天线的障碍物将造成最大的损失。

不要低估天线之间的距离。如果是短期应用，你可以放慢速度。如果是远程应用，可以使用全球定位系统(GPS)或谷歌地图快速提高距离精度。

降低路径损耗最有效的方法是抬高天线。在大约6英尺(2米)高的地方，由于地球的曲率，视线大约是3英里(5公里)，所以任何比修剪整齐的草坪高的东西都是障碍。

工业装置通常包括许多反射障碍，导致天线之间有许多路径。接收到的信号是这些路径的向量和。在多路径环境中，只需稍微移动天线就能显著改变信号强度。

有些障碍是移动的。已经有不止一个无线应用受到临时障碍的阻碍，比如一堆集装箱、一辆停放的卡车或材料搬运设备。记住，金属不是你的朋友。天线不会从金属盒内部或通过储存罐传输出去。

路径丢失的经验法则:

• 为了确保在完美的视线应用中基本的褪色余量，永远不要超过制造商额定视线距离的50%。这本身就产生了理论上的6dB衰减裕度，仍然低于所需的10dB。
• 如果在两个天线之间有障碍物，但不在天线附近，则更积极地降低速率。
• 如果有多个障碍物，障碍物位于天线附近，或天线位于室内，则降低至制造商视线等级的10%。

7.这不仅仅是关于收音机;使用错误的天线或电缆，你就完蛋了。

天线通过将辐射能量聚焦到所需的方向来增加有效功率。使用正确的天线不仅可以将功率集中到所需的区域，还可以减少功率广播到不需要的区域。

如果你的工作现场已经布满了其他天线，那么尽量把你的天线和其他天线分开。大多数天线以水平模式广播，因此垂直分离比水平分离更有意义。尽量将天线分开至少两个波长，900兆赫时为26英寸(0.66米)，2.4兆赫时为10英寸(0.25米)。

在天线连接器和天线之间使用高质量的射频电缆，并确保所有连接器都是高质量和精心安装的，以帮助信号传播。除了电缆衰减本身之外，每个同轴连接器的损耗为0.2 dB。下面列出了两种常用电缆类型的典型衰减数字。

每10英尺(~3米)同轴电缆长度的损耗

频率	RG-58U	lmr - 400
900兆赫	1.6 dB	0.4 dB
2.4 GHz	2.8 dB	0.7 dB

虽然长电缆连接到天线会造成信号损失，但将天线抬高25英尺(7.6米)可以弥补这些损失的dB。

遵循这7个工业无线墨菲定律将有助于您的下一个无线安装无痛。

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迈克·法里恩是B&B电子公司的首席工程师。他负责公司下一代工业无线产品的开发，包括Zlinx Xtreme ip67级无线电系列和I/O模块。法里恩撰写了政治不正确的时事通讯eConnections。

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