自动化系统的无线通信标准介绍

自动化领域正在从有线连接过渡到无线连接。系统的无线控制是物联网(IOT)世界的重要组成部分。这种自动化和连接性是IP地址扩展到IPv6的基础，因此所有内容都可以独立连接到网络。自动化系统具有许多不同的无线标准，设备可以与之通信。关键是要了解什么类型的数据和系统将要传输的数量，以及数据需要多快和可用的速度。

通信分区

对于所有自动化系统，无论是单个功能还是通过中央处理器或FPGA处理多个功能的系统，外部通信都需要分区方案。通信功能与标准内存管理和标准I/O分开。分离是由于通信是结构化同步事件，而大多数自动化I/O源自控制反馈环路并且通常是异步的。使用的块是处理数据准备和协议的传统数字MCU部分; DAC和ADC，用于在数字和模拟形式之间转换数据，以便通过天线系统发送;以及用于驱动天线系统的RF收发器。

边界和内部/外部组件因供应商而异。主要分区约束之一取决于无线协议的选择。从历史上看，433 MHz ISM频段(车库门开启器等)和较低频率(13.3 MHz，27.2 MHz)的专用RF使用了专有协议。为了与传统项目兼容，这些RF接口仍可从Linx Technologies的Digi-Key(搜索“RF接收器，发送器和收发器完成单元”)获得，作为发送器(参见图1)和接收器模块。这些系统利用低数据速率(低于19 kbps)和低数据量。

图1：Linx Technology无线“密钥卡”发送器。 (由Linx Technologies提供)

大多数新的无线系统都有许多高速数字标准可供选择，其中传递的数据量和网络中的节点数决定了协议的选择。 Digi-Key提供的主要选择包括Zigbee®(IEEE 802.15.4)，Bluetooth®(Bluetooth SIG支持)，Wi-Fi(IEEE 802.11 a/b/g/n)和蜂窝(CDMA，HSDPA，GSM，EDGE，GPRS)。蜂窝系统主要用于M2M(机器到机器)网络。

这些产品支持的蜂窝网络基于数字分组数据交换。现有系统的很大比例，如报警/安全系统，自动柜员机，信息亭，POS终端和工业自动化，都是为模拟电话通信而设计的。随着陆地线路的可用性萎缩以及对数字数据结果的需求不断增长，这些系统正在转向无线。这些系统的设计分区很简单，因为模拟调制解调器接口系统有外部改造，无论是独立还是嵌入式。图2显示了Multi-Tech Systems，Inc。的Multiconnect™AW模拟到无线转换器。该外部转换器通过RJ11连接与模拟调制解调器连接，支持多个RS232连接，并集成了嵌入式闪存。闪存允许现场升级和修改调制解调器和蜂窝网络连接。该解决方案保留了系统的现有设计分区，并且仅需要对网络的无线方面进行鉴定。

图2：Multi-Tech MultiConnect AW模拟到无线套件。 (由Multi-Tech Systems，Inc。提供)

数据接口和应用程序

自动化系统的数据接口正在不断发展。历史上，系统通过时间戳作为信息集传递简单的错误代码和状态代码。这些代码将转到另一个系统，该系统具有代码之间的转换表和代码的解释。这允许自动化系统和流量控制系统之间的“最轻”的电线连接。通过无线通信，大大降低了自动化系统的数据流量，物理接近度和物流成本，从而允许更改正在发送的数据的数量和类型。

新设计解决无线网络的最简单方法是通过串行端口连接到完成的无线电子系统。标准串行端口(RS232)和USB有许多选择。这允许现有的架构系统通过传统的点对点有线连接提供数据，状态和M2M连接，以保持不变。外部无线电套件可以简单地连接到端口，套件可以处理IP握手，数据格式化和模拟子系统功能。

蓝牙是一种流行的短距离双设备连接协议。虽然它主要被称为手机耳机的协议，但通信规范实际上支持通用数据应用。该系统对于与短距离接收器和/或移动设备和计算机的通信特别有用，用于跟踪自动化设备的状态。蓝牙支持两类 - 当前规格下的Class 1最多可达30米，Class 2最高可达10米。当前版本2.x规范支持高达2.1 Mbps的短突发数据，实际数据传输速率为几百kbps。这些传输的数据集通常在字节到千字节范围内。整个系统往往在2%的功能工作循环下运行。完成的USB子系统的示例是Laird Technologies的BRBLU03-010AC和Roving Networks的RN-270M USB蓝牙2.0适配器(参见图3)。蓝牙网络支持扩展范围和信号聚合应用的收发器和接入点。

图3：Roving Networks蓝牙收发器。 (由Roving Networks提供)

如果需要多个点对点连接，Zigbee环境支持网状网络。网状网络是一种多点对点网络，允许通过相邻设备(在3D空间，多层设施以及同一楼层)将数据中继回中央网络核心。该网络支持WPAN适配器，接入点和模块，开发人员套件，网络扩展器，传感器和网关。典型应用如图4所示，其中安装了Digi XBee™/XBee-Pro™环境。 Zigbee网络以250 kbps的数据速率支持长达1英里的无线距离。该网络支持高占空比流量，包括状态，ID和错误代码，以及收集指标和环境传感器的结果。该协议支持在网状网上同时通话的多个设备以及多个接口 - RS-232，RS-485，全双工和半双工RS-422以及USB。

图4：Digi XBee-Pro ZB适配器使用配置。 (由Digi International提供)

家庭和工业自动化领域的主要传统连接选项是铜缆以太网或EtherCAT。它们具有明确定义的高速数据端口，通常通过RJ45连接器连接，并在高占空比(超过60%)下以1 Mbps至600 Mbps的数据范围运行。因此，将这些转换为Wi-Fi(基于802.11的连接)非常简单，通常不会影响性能。这些网络可以支持中距离，标称70米室内/250米室外;在美国的特殊FCC许可下，您可以在3.6 GHz高功率下运行802.11a，最长可达5000米。协议的a/b/g版本仅支持一个天线和一个用于数据流的收发器。这些支持1 Mbps至54 Mbps的数据速率。 802.11n版本的协议支持多达四个同步输入/输出(MIMO)，每个数据流最高可达150 Mbps。

与Zigbee系统一样，这些Wi-Fi网络包括收发器，网关，网桥，接入点，扩展器和开发套件。完整的改造解决方案，如Qualtech Airborne工业无线以太网解决方案型号ABDG-ET-IN5010，可提供RJ45接口或RS232串行接口，用于802.11b/g网络。这些装置目前可用于802.11a/b/g的单天线驱动系统。未来几年将有更新的设计可用于支持802.11n的MIMO环境。

由于这些选项代表了对当前有线网络环境的改进，因此系统的关键组件是无线配置的管理。这些系统可以远程升级，实现远程访问控制，配置和数据记录。 Qualtech等产品为企业方提供了一个通用的管理软件平台，可以控制其产品系列，与自动化侧连接(有线，RJ45，RS232，USB或其他引脚排列)无关。它们通常是基于Windows的系统，如机载管理中心(AMC)，如图5所示，其GUI可以具有较短的学习曲线。

图5：Qualtech空降管理中心。 (由Qualtech Systems，Inc。提供)

嵌入式无线选项

对于具有空间和功率限制的新设计，外部子系统不是一个实用的解决方案。在这种情况下，建议使用DAC到前端模块(FEM)或mux/PA/滤波器的数字接口。这将通过匹配的，面向相反的设置处理系统的发送侧，该设置将进入接收侧所需的ADC。公共天线用于接收器和发射器对。

前端模块的复杂程度取决于要处理的网络选项的数量。它们可以是简单的单向输出，这需要两个部分才能完成连接。一个例子是Microchip的SST12LF02 FEM(见图6)，它只是一个LNA/PA，一个滤波器和一个开关。该交换机支持到天线的侧旁路通道，以便在与2.4 GHz LNA相同的频段上实现蓝牙连接。

图6：SST12LF02 FEM框图。 (由Microchip Technology提供)

下一步是单波段2.4 GHz 802.11b/g/n和BT收发器模块，如SiGe半导体/Skyworks解决方案部件号SE2613T(见图7)，它具有功率检测器，谐波滤波器，开关/多路复用器，LNA，PA以及相关的通道/设备匹配。

图7：Skyworks Solutions单频带FEM框图。 (由Skyworks Solutions，Inc。提供)

高端有限元法一直到Skyplex Solutions SE2595L等多波段MIMO兼容(802.11n双频段)模块(见图8)。这些模块包含一个发送和一个接收路径架构，用作MIMO构建块，所有RF端口匹配50欧姆。它们包括集成的2.4/5 GHz PA，2.4/5 GHz LNA，TX滤波器，T/R开关和双工器，以及集成功率检测器，所有这些都在3.3伏的单电源电压下工作。

图8：Skyworks多频段MIMO FEM框图。 (由Skyworks Solutions，Inc。提供)

安全

无线系统最近关注的一个领域是数据和访问安全性。一旦只是IT世界和业务通信的领域，Stuxnet攻击的幽灵就会使所有基于网络的自动化实现在任何有数据网络的地方都需要数据安全性。信息不是唯一有价值的东西，因为能够破坏或改变业务和制造流程具有明确的市场价值并且更难以追踪。由于大多数自动化系统开发人员只熟悉系统设计的IP保护，因此Digi国际嵌入式无线安全产品培训模块是嵌入式应用无线安全的入门模块，可在Digi-Key网站上获得。

为了帮助嵌入式应用解决M2M通信中的安全问题，可以使用可集成的无线网络服务器，如Qualtech WLNG-XX-DP551系列 - 坚固耐用，安全，高可靠性的Wi-Fi模块。该系统不仅具有完整的软件支持，还具有SPI，以太网，GPIO，UART和802.11网络的可配置接口。这些是对单个OEM板级组件中的完整RF，网络堆栈和安全/密钥处理的补充。图9显示了具有ARM9™处理器，本地存储器，电源管理，以太网PHY和完整802.11 b/g无线电的模块架构。

图9：Qualtech Airborne嵌入式无线设备服务器(由Qualtech Systems，Inc。提供)