數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸有多種方法。從簡(jiǎn)單的指令和控制方案，如遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)和車(chē)庫(kù)開(kāi)門(mén)裝置到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)等等。本文旨在介紹各種可用方案及其中存在的必須應(yīng)對(duì)的局限性， 以期為設(shè)計(jì)師提供一些實(shí)用信息，供其在為工業(yè)應(yīng)用選擇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用。

汽車(chē)等設(shè)備上用來(lái)鎖定和打開(kāi)車(chē)門(mén)的遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)系統(tǒng)就是簡(jiǎn)單的指令和控制應(yīng)用的一個(gè)非常典型的例子。在遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)應(yīng)用中，指令通過(guò)遙控鑰匙發(fā)送至汽車(chē)信號(hào)接收器。適當(dāng)?shù)亟邮盏街噶詈?，汽?chē)即會(huì)相應(yīng)鎖定或解鎖。

類(lèi)似汽車(chē)中安裝的接收器理論上可以接收任何類(lèi)似型號(hào)的遙控鑰匙發(fā)送的數(shù)據(jù)包。然而，汽車(chē)只能接收專(zhuān)門(mén)為其指定的遙控鑰匙發(fā)送的指令。滾動(dòng)碼生成器和安全加密等協(xié)議通常用于從遙控鑰匙將唯一的ID傳輸至汽車(chē)。這樣一來(lái)，您的遙控鑰匙就無(wú)法打開(kāi)您朋友的類(lèi)似型號(hào)的汽車(chē)，反之亦然，從而確保汽車(chē)的安全。

對(duì)于汽車(chē)遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)，遙控鑰匙操作人員通常會(huì)聽(tīng)到鎖具被鎖定的聲音。如果沒(méi)有聽(tīng)到“咔嚓”聲，操作員只需再次按下按鈕，從而通過(guò)人機(jī)交互完成遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 (RKE) 應(yīng)用中的反饋環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有聽(tīng)到汽車(chē)解鎖的聲音，就需要再次按下按鈕，直至聽(tīng)到解鎖聲。

圖1：遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)應(yīng)用

很多工業(yè)應(yīng)用都需要傳輸指令和控制數(shù)據(jù)。從傳感器發(fā)送將溫度指示到主機(jī)就是一個(gè)例子。工業(yè)應(yīng)用和遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(PKE)之間的差異是：工業(yè)應(yīng)用中無(wú)需人員介入判斷是否真正收到了溫度指示。

需要確認(rèn)數(shù)據(jù)的接收意味著存在雙向網(wǎng)絡(luò)。隨著融入更多致動(dòng)器、開(kāi)關(guān)和電機(jī)需求的出現(xiàn)，系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)立即增加。因此，由于應(yīng)用中需要確認(rèn)數(shù)據(jù)是否已實(shí)際送達(dá)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通常不會(huì)使用簡(jiǎn)單的單向遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入(RKE)網(wǎng)絡(luò)。

工業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上基本都有一個(gè)微控制器。微控制器會(huì)通過(guò)接口連接至溫度傳感器和致動(dòng)器等實(shí)體設(shè)備，來(lái)讀取或?qū)懭胨鼈兊臄?shù)據(jù)。同時(shí)，微控制器還需負(fù)責(zé)管理射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。協(xié)議的選擇取決于多種因素。選擇最佳解決方案的因素包括：數(shù)據(jù)傳輸范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的復(fù)雜度。

ZigBee最近受到了大量關(guān)注。作為標(biāo)準(zhǔn)解決方案，ZigBee或802.15.4最初被視為許多低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用的最佳選擇。但是，它真的適用于所有應(yīng)用嗎？當(dāng)然不是。在有些情況下，802.11 WLAN非常適用于高數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸。同樣，有些應(yīng)用需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸范圍和電池壽命。簡(jiǎn)言之，具體架構(gòu)決定著特定應(yīng)用所需的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。

在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，如果數(shù)據(jù)傳輸速率增大，系統(tǒng)資源也會(huì)相應(yīng)增多。以802.11 WLAN為例，由于其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信所需的功耗和代碼大小，這些協(xié)議不能用于大多數(shù)嵌入式應(yīng)用。典型的 802.11 WLAN節(jié)點(diǎn)所需的程序內(nèi)存高達(dá)1MB，還需要功能更強(qiáng)大的處理器來(lái)使單節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。

802.11無(wú)線(xiàn)電附加系統(tǒng)處理器的功耗使其非常適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算應(yīng)用和信息回程，但便攜式節(jié)點(diǎn)需要大量功耗和系統(tǒng)資源才能使802.11 WLAN的節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。功耗大、代碼長(zhǎng)且昂貴的802.11 WLAN不適用于溫度、壓力和致動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控等任務(wù)。

ZigBee協(xié)議相對(duì)較輕巧，它的代碼空間為32-70KB，數(shù)據(jù)傳輸范圍適中，為10-100米。這些特點(diǎn)讓ZigBee成為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選。ZigBee的一大優(yōu)點(diǎn)是其“網(wǎng)狀”能力。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸；這樣一來(lái)，就算任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或掉線(xiàn)，信息也能順利傳輸至目的地。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包處理非常復(fù)雜，因此，所需的程序內(nèi)存較大。圖2給出了各無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)代碼大小。

圖2：各射頻網(wǎng)絡(luò)所需的系統(tǒng)資源

藍(lán)牙是工業(yè)應(yīng)用中常常會(huì)談到的另一種常見(jiàn)方案。快速瀏覽上圖就能發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸范圍較短，代碼較大，再加上藍(lán)牙屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方案，就會(huì)立即判斷出它不適用于工業(yè)射頻應(yīng)用。

那么，專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)如何？專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)指不按特定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。通常采用915MHz ISM頻段（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）和2.4GHz頻段。有時(shí)，315MHz或433MHz的頻段也被用于指令和控制類(lèi)應(yīng)用。當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)管要求通常會(huì)指定可用的頻率。

在射頻信號(hào)通過(guò)空氣傳輸?shù)倪^(guò)程中，其功率水平會(huì)與已傳輸?shù)木嚯x成反比、與頻率成正比而降低。自由空間路徑損耗公式如下所示，對(duì)應(yīng)的各頻率的路徑損耗與距離的關(guān)系如圖3所示。

設(shè)d = 距離（米）

l=波長(zhǎng)（米）

怎樣選擇適合您應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 3

圖3

因此，在自由空間內(nèi)傳輸距離達(dá)到 100 米時(shí)，路徑損耗如下：

2.4GHz，80dB

915MHz，72dB（比運(yùn)行頻率為2.4GHz時(shí)路徑損耗小8dB）

433MHz，65dB（比運(yùn)行頻率為2.4GHz時(shí)路徑損耗小15dB）

在射頻系統(tǒng)中，接收到的信號(hào)等于發(fā)射功率加系統(tǒng)天線(xiàn)增益再減去路徑損耗，如下面的公式所示。

設(shè)R = 接收到的信號(hào)強(qiáng)度

Pt= 發(fā)射功率

Gant = 天線(xiàn)增益

L = 路徑損耗

如果一個(gè)系統(tǒng)的輸出功率為 10dBm，系統(tǒng)天線(xiàn)增益為 0，在理想環(huán)境下的自由空間為 100 米，那么，它接收到的信號(hào)強(qiáng)度將為：

2.4GHz，-70dB

915MHz，-62dB

433MHz，-55dB

這表示，運(yùn)行頻率為2.4GHz的系統(tǒng)接收器的靈敏度至少應(yīng)達(dá)到-70dB，才能在理想的自由空間環(huán)境下檢測(cè)到信號(hào)。