无线网络技术详解

无线通信不需要使用昂贵的电缆布线，而电缆布线传统上已经用于商业和工业制造以及过程网络。

如今，许多小型和家庭办公室（SOHO）和企业网络全部或部分使用无线访问。

商业、企业和小型和家庭办公室（SOHO）网络与工业网络的不同之处在于，服务中断在大多数商业网络中是可以容许的，但是在工业通信网络中则行不通。工业网络中的许多设备都在它们自身、控制器或可编程逻辑控制器（PLC）之间实时通信。如果与这些设备中的任何一个设备失去通信，整个生产线可能会停止运行，或者使处理网络中的整个批次无法使用，从而浪费时间和金钱。

为了使无线网络桥接到工业应用，它必须具有自我修复功能，具有较高的设备平均故障间隔时间（MTBF）、高冗余度，提供实时访问和控制功能，且随着网络的发展可以扩展，从而添加新的设备。

本文的下一部分将重点介绍目前正在部署的一些更受欢迎的无线工业网络技术。

网状网络

当网状网络中的每个节点都至少与一个其他节点连接，并使用智能路由查找网络中的其他节点（如果其主要连接被禁用）时，无线网状网络将具有冗余和自愈功能。

由于网络中的节点从其他节点转发数据，网状网络是临时网络。在给定的时间内，动态确定哪些节点转发数据。该方案提供了链路冗余，确保数据到达其目的地。

网状网络有两种基本类型，部分网状和完全网状。部分网状网络节点仅连接到某些节点，而不是连接到网状中的所有节点。在全网状网络中，每个节点都连接到所有其他节点，构成100％网状拓扑。您的特定应用将确定是否需要部分或完全网状网络。参见图1。

图1

目前许多网状网络产品在2.4 GHz和5 GHz频带中使用IEEE 802.11a/b/g/n协议。这些网状设备可以利用专有和基于标准的动态路由协议，例如开放式最短路径优先（OSPF）协议。

电气和电子工程师协会（IEEE）目前正在研究用于网状网络的802.11修订草案，即802.11s。

ZigBee

ZigBee无线网络基于IEEE 802.15.4标准，可用于无线个人区域网（WPAN）。ZigBee网络最初是为家庭自动化开发的，目前已用于楼宇自动化、过程控制和工业自动化中。ZigBee芯片可用于温度、湿度和振动传感器、开关和控制器。

ZigBee设备的特性包括相对较低的功耗（不使用该设备时启用睡眠模式）、相对短距离的通信、自我修复和冗余功能、较小的数据包传输（最大128字节）和低成本。ZigBee网络利用网状路由方案，在该方案中每个ZigBee路由器将数据中继到网络中相邻的路由器。这种分散的控制提供了很大程度的冗余。如果设备出现故障，ZigBee路由器将找到替代路由来中继数据，以保持网络畅通。ZigBee网络具有较高的可扩展性，并支持多达64,000个设备的网络。

ZigBee网络中有两类设备，全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。

全功能设备（FFD）可以在任何网络拓扑（星型、网状、群集、点对点）中运行，并且可以与网络中的任何其他设备进行通信。ZigBee协调器和路由器是全功能设备（FFD）。

精简功能设备（RFD）只能在星型拓扑中使用，并且只能与网络协调器对话（参见图2）。ZigBee无线网络至少需要一个功能齐全的设备来充当网络协调器，但端点设备可以是精简功能设备（RFD）（价格通常比FFD便宜）。

图2

ZigBee网络由网络协调器、网络路由器和网络节点组成。网络协调器建立网络，管理网络节点，存储网络节点信息并在节点之间路由消息。ZigBee路由器在其他路由器和协调器之间提供数据路由。节点是ZigBee网络的端点，这些设备有传感器、执行器、仪表和控制器等设备。参见图3。

图3

WirelessHART

由HART通信基金会开发的WirelessHART是一种开放标准的无线网络技术。与ZigBee一样，WirelessHART是一个自我组织、自我修复的网状网络，具有高水平的冗余度和可用性。

WirelessHART最初是为流程工业开发的，是对现有有线HART技术的替代或补充。再次，通过使用无线技术，避免了设计、安装和维护电缆设备的时间和费用。

WirelessHART网络由WirelessHART现场设备、至少一个WirelessHART网关和一个WirelessHART网络管理器组成。这些组件被连接到无线网状网络中，支持从HART主机到现场设备以及后向的双向通信。

网络管理器管理网络设备和网状架构。每个WirelessHART网状网络都有一个网络管理器。由于网络管理器是一个应用程序，因此它可以驻留在网络上的任何设备上，例如网关。网络管理器形成冗余网格，监视网络，并且允许新设备加入网络。

网关设备可用于将WirelessHART网状网络连接到工厂网络（主要是有线网络），允许两者之间进行数据通信。

现场设备或终端节点实际上是传感器、仪表、阀门等，通过无线方式连接到网络，发送并接收数据。

WirelessHART支持多种不同的网络拓扑，包括网状、星型和混合（网状/星型）网络拓扑，参见图4。

图4

目前，WirelessHART产品在2.4 GHz ISM频段上运行，与ZigBee一样，也基于IEEE 802.15.4 WPAN标准。

SP100.11a协议

国际自动化协会（ISA）是一个非营利组织，致力于帮助自动化专业人士解决棘手的技术问题，开发了SP100.11a，通过单个无线网络支持多种协议（HART协议、Modbus通讯协议、基金会现场总线、过程现场总线），用于过程和工业自动化/工厂应用。

SP100.11a基于802-15.4 WPAN技术，采用与ZigBee和WirelessHART相同的自愈、自我组织网状结构。此外，SP100.11a设备与ZigBee一样，具有低功耗和可扩展性，可满足网络的增长需求。SP100.11a与ZigBee、WirelessHART之间的区别在于SP100.11a可以使用许多不同的协议。这一功能允许将SP100.11a实施到使用不同协议进行通信的现有网络中。

SP100.11a的开发旨在解决过程和工厂自动化网络的问题，在这些网络中，简单数据采集应用的联网得到了解决，例如监视、记录和警报以及更复杂的过程控制应用。

当前SP100-11a的实现使用2.4 GHz 802.15.4-2006无线电和用于其他协议的本机和隧道传输的单个应用程序层。SP100.11a于2009年6月获得批准。

由于无需将设备进行硬接线，因此为过程和自动化网络部署无线网状网络可以节省时间和金钱。新的开发提供了冗余、安全性和可扩展性，这对于过程和工厂自动化网络来说至关重要。选择正确的技术/架构取决于您的特定应用和环境。本文涵盖的不同网状体系结构都具有相似之处，因此它们非常适合用于工业网络、冗余、自我修复功能、可扩展性、低功耗和高平均故障间隔时间（MTBF）。