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工業自動化網絡設計的低功耗無線網絡協議介紹

作者:時間:2019-07-16來源:網絡收藏

低功耗正在成為工業自動化網絡設計和實施中越來越重要的因素,并且有新的協議可用于幫助降低功耗和成本。

本文引用地址:http://www.aejfsk.live/article/201907/402736.htm

盡管人們認為功耗不是工業自動化中的關鍵設計問題,但由于幾個原因,低功耗設計在過去幾年中變得非常重要。首先是電力的明顯成本。遠程控制更多系統,因此控制器和無線系統的功耗增加。這相當于全世界數百萬美元,削減這項法案是石油價格如此之高的關鍵焦點。許多工業用戶的關稅依賴于電力的可用性,并且可以在需求增加時減少供應,使得能夠以更低的功率運行。

無線技術可以通過多種方式降低功耗。通過低功耗芯片,適當的協議和功耗感知軟件降低無線收發器的功耗可以幫助降低直接成本。此外,無線控制器還可以在工廠車間周圍使用,以控制加熱,照明和高壓空調的水平,具體取決于當時的活動和人員配備水平。這可以大大降低設施的總體直接功耗。

還有其他驅動器可以降低功耗。設計和制造收發器芯片的技術發展現在將無線設備和模塊帶入能量收集的能力范圍內。這意味著從環境中清除的功率 - 通常來自振動或工廠車間的溫度 - 可用于為傳感器和無線鏈路供電,而無需定期更換電池。這樣,如果傳感器需要更換電纜或更換電池,則可以將傳感器放置在以前無法訪問的大量位置。這樣可以在故障導致生產線停止之前對設備進行更密切的監控,修復或更換。無線傳感器的使用也為工業客戶帶來了直接的成本節約。但是,在降低無線系統功耗時,要通過降低收發器功率或使用固有的低功耗拓撲(如網狀網絡)來解決問題。根據數據速率,延遲和網絡節點之間的距離,還可以使用幾種不同的協議。

還有多種頻率可供選擇,每種頻率都有自己的優勢和挑戰。

越來越受歡迎的范圍是未經許可的2.4 GHz,從到Wi-Fi到有許多不同的方法。標準組織正在開發這些技術的低功率版本,但是頻帶本身比其他更低頻率本身更耗電。

由于該頻率可在全球范圍內使用并用于廣泛的消費者和企業應用,因此收發器可從低成本的規模經濟中受益,系統集成商可提供多種設備和模塊供您選擇。然而,這是一個擁擠的頻譜帶,對來自同一消費者和企業系統以及微波和其他發射的干擾很敏感。許多協議沒有針對實時數據進行優化,使用最佳情況算法,并且如果由于干擾必須不斷重新發送數據包,也會增加功耗。

其他無線協議是通過專有方法或現有工業標準開發的。例如,Cyan Technology開發了自己的CyNet網狀網絡,用于875 MHz頻段的超低功率鏈路,而Hart已經將其用于WirelessHART的HARTbus協議擴展到網狀網絡中的鏈路設備。

網狀網絡具有低功耗的關鍵優勢,但在數據吞吐量和延遲方面存在其他問題。網狀網絡使用每個節點將消息轉發到下一個節點,直到消息到達其目的地。這意味著功率因此尺寸要求低得多,因為收發器只需要到達其最近的鄰居。但是,數據可能必須跳幾次才能到達目的地,從而增加延遲。每個節點還必須處理兩組數據流量,將可用帶寬減半。這可以通過來自傳感器和監測設備的小數據包來補償。這通常不是問題,但延遲效應是。 WirelessHART使用2.4 GHz頻段為仍然使用網狀網絡的實時數據提供更高的吞吐量和所需的延遲,以保持低功耗和節點成本。

SP100.11a

WirelessHART網狀網絡

SP100.11a使用與WirelessHART相同的協議,但它是一種開放標準,支持多種協議,包括單個無線基礎設施上的Profibus。它旨在支持工廠自動化應用程序的性能級別,而不僅僅是過程控制,并且是ANSI標準。

GHz ISM

Atmel的AT86RF230-ZU是專為802.15.4和設計的CMOS 2.4 GHz收發器,以及WirelessHART和SP100.11a協議。由于它工作在2.4 GHz空間,因此它也可用于使用6LoWPAN協議的系統(見下文)。

Atmel的AT86RF230 2.4 GHz收發器支持、WirelessHART、SP100.11a和6LoWPAN

AT86RF230是一種真正的SPI到天線設計,除了片上集成的天線,晶體和去耦電容外,還有所有RF關鍵元件,可與Atmel的AVR系列等外部微控制器配合使用。它集成了模擬無線電收發器和數字解調,包括時間和頻率同步和數據緩沖,只需要一個天線,一個晶體和四個去耦電容。雙向差分天線引腳用于發送和接收,因此不需要外部天線開關。

接收到的RF信號通過差分線路通過低噪聲放大器(LNA)饋送到RF濾波器(PPF),以產生復雜信號。該信號由混頻器向下轉換為中頻,并饋送到集成通道濾波器。限幅放大器提供足夠的增益來驅動模數轉換器(ADC)并產生數字信號,然后由數字基帶接收器采樣。

對于傳輸,器件使用在數字發送器中生成的偏移-QPSK(O-QPSK)調制,然后饋送到功率放大器,而內部128字節RAM緩沖要發送的數據或接收的數據。這種組合提供-17 dBm至3 dBm的可編程輸出功率,接收靈敏度為-101 dBm,鏈路預算為104 dB。

Zigbee

德州儀器(TI)用于Zigbee的CC2531低功耗SoC是一款支持USB的真正片上系統(SoC)解決方案,適用于IEEE 802.15.4和Zigbee應用,如工業控制。憑借內置的無晶體USB接口,它可以構建USB加密狗或USB可升級網絡節點,總成本低。 CC2531將Chipcon的RF收發器的性能與行業標準的增強型32 MHz 8051微控制器,系統內可編程閃存和8 KB RAM相結合。對于需要超低功耗的系統,它還具有各種操作模式,并且操作模式之間的短轉換時間進一步確保了低能耗。

CC2531 Zigbee集成收發器USB SoC

現在也正在成為工業自動化的可行技術。該標準的最新版本Bluetooth v4.0向核心規范引入了低能耗技術,使新設備能夠在微型紐扣電池上運行數月甚至數年。

隨著這項技術被多家供應商的安全和消費者應用所采用,成本在工業應用中變得極具吸引力,特別是在需要擴展范圍鏈接的情況下。

萊爾德科技的BISM2藍牙模塊增加了功率放大器和低噪聲信號放大器,可提供長達1,000米的藍牙連接。 25 mm x 35 mm模塊通過串行數據端口連接到高性能集成藍牙天線。除了采用完全認可的嵌入式藍牙協議棧外,該模塊還包括一個全面的AT風格界面,可將應用程序的開發時間從數月縮短至數天。

集成功率放大器提供25 mW輸出和功率控制,而低噪聲放大器將接收靈敏度提高到優于-84.5 dBm以獲得范圍。如果設備和設備分布在整個站點上,這將特別有用。

Laird Technologies的BISM2長距離藍牙模塊

WirelessHART

根據IEEE802.15.4的規定,2.4 GHz ISM頻段分為16個非重疊頻道。 WirelessHART使用偽隨機信道跳頻序列來降低與其他網絡(尤其是Wi-Fi)干擾的可能性。信道跳變意味著設備不會固定在IEEE802.11b/g網絡正在使用的信道上很長一段時間。使用時分多址(TDMA)協議可確保在任何給定時間只有一個設備在通道上通話,從而防止消息沖突并通過使用10 ms時隙來提供定義的延遲。

WirelessHART使用帶有10 dB放大器的2.4 GHz無線電,允許最多200 m的通信到下一個節點,這又可以作為路由器沿著網格傳遞消息。當不需要全距離時,節點可以以較低功率發送以減少干擾其他網絡的機會。

它使用直接序列擴頻(DSSS)提供大約8 dB的附加增益,其傳輸范圍分布在所選信道的整個頻率范圍內。具有正確解碼信息的設備可以接收數據,而其他設備將傳輸視為白噪聲并忽略它。這允許接收和共存多個重疊的無線電信號。

6LoWPAN

與此同時,互聯網工作組一直致力于使用IPv4和IPv6連接傳感器和設備的更高級別協議。 6LoWPAN或IPv6低功耗無線個域網已定義了封裝和報頭定義,允許通過IEEE 802.15.4網絡(如Zigbee)發送IPv6數據包,以便可以在更廣泛的Internet上使用這些數據包。

6LoWPAN的目標是低功率無線電通信,數據速率較低,外形非常有限,工業自動化是關鍵領域。通過指定在不同網絡上發送相同分組的方式,轉換分組的需求較少,從而降低了復雜性,功耗和成本。

雖然這是一種更高級別的協議,但它會直接影響無線網絡中實現的處理要求和數據包大小,從而影響每個節點的功耗。

其他ISM頻段

2.4 GHz頻段并非世界上唯一用于工業自動化的頻段。其他較低的ISM頻段具有相同功率預算的更大范圍的優勢,從而提供顯著的功率優勢。這些較低的頻段不一定能攜帶大量數據,但這不是工業自動化的問題。使用網狀網絡拓撲結構,使用這些較低頻段的設備可以顯著降低功耗。然而,這些不是大批量應用,因此終端設備成本可能更高。這些頻段中的設備也傾向于使用專有協議,從而限制了互操作性。

Semtech XE1205是一款低功耗,零中頻集成收發器,工作在433/868/915 MHz ISM頻段,可處理寬帶和窄帶鏈路,為使用工業協議提供關鍵優勢網絡和過程控制。

設備中的所有主要RF通信參數都是可編程的,其中大部分都可以動態設置。它可用于歐洲(ETSI EN 300-220-1),25 kHz信道間隔和北美(FCC第15部分)監管標準。

Semtech的TrueRF技術消除了對SAW濾波器的需求,減少了元件數量和系統成本,同時仍滿足ETSI和FCC規定。

同樣,Silicon Labs SI1012-A-GM是一款低功耗240至960 MHz收發器,集成了25 MHz 8051微控制器和12位ADC。

收發器支持FSK,GFSK和簡單的開關OOK幅度調制,接收靈敏度為-121 dBm,輸出功率為13 dBm。它在接收模式下使用18.5 mA,在短距離+1 dBm鏈路上使用18 mA。

Silicon Labs Sl1012 240-960 MHz集成收發器



關鍵詞: 藍牙 Zigbee

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