吳志遠 張舸帆 張前咨

摘 ?要： 隨著我國無線通訊技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其應用已經(jīng)涉及到生活的各個方面。在目前，網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為工業(yè)自動化的主要研究方向，工業(yè)系統(tǒng)的綜合集成度也需要不斷提高，這一切的實現(xiàn)都需要更佳的無線通訊技術(shù)進行支撐。由于工業(yè)自動化應用場景的多樣性，我 們不能對無線通訊技術(shù)的業(yè)務應用一概而論。不同的無線通訊技術(shù)，其特點也往往不同，實際應用時，我們要結(jié)合工作場景和業(yè)務需求綜合考量。本文將對當前工業(yè)自動化中常用的無線通訊技術(shù)進行分析，并結(jié)合以NB-IOT、LoRa為代表的當前新興無線通訊技術(shù)，探究未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：?無線通訊技術(shù);工業(yè)自動化;應用;發(fā)展

中圖分類號： TP91????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.043

本文著錄格式：吳志遠，張舸帆，張前咨. 無線通訊技術(shù)在工業(yè)自動化中的應用及發(fā)展[J]. 軟件，2019，40（9）：188-191

A Study on the Application and Development of Wireless Communication Technologies in Industrial Automation

WU Zhi-yuan， ZHANG Ge-fan， ZHANG Qian-zi

（School of Information Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013）

【Abstract】： Wireless communication technologies have been applied in all aspects of our life due to their vigorous development. At present， network and intelligence have become the main research directions of industrial automation， and thus it is necessary for industrial systems to be more integrated in a comprehensive and continuous manner. This requires that better wireless communication technologies provide support. Due to the diversity of application scenarios of industrial automation， it is unpractical to lump the business applications of wireless communication technologies. Different wireless communication technologies often have different characteristics， and therefore we shall take work scenarios and business need into consideration to determine a specific technology in practice. In this paper， common wireless communication technologies in industrial automation are analyzed， and future development trends are explored by combining the current emerging wireless communication technologies represented by NB-IOT and LoRa.

【Key words】： Wireless communication technologies; Industrial automation; Application; Development

0??引言

中國智造的加速實施使我國工業(yè)自動化設(shè)備的市場需求不斷增大，而且在未來的一段時期內(nèi)我國對工業(yè)自動化系統(tǒng)的需求都將保持較高的增長率。在國家政策的大力支持和長期的技術(shù)積累下，現(xiàn)階段我國的電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，為工業(yè)自動化進程的推進提供了強有力的支持。在當前的信息時代背景下，無線網(wǎng)絡(luò)的應用范圍越來越廣。其自身具

有采用無線電波傳輸?shù)膬?yōu)勢，從而可以在一些工業(yè)環(huán)境復雜的情況下便利的實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使得自動化系統(tǒng)有效進行^[1]。無線通訊技術(shù)發(fā)展帶來的技術(shù)支持和工業(yè)自動化不斷升級帶來的客觀需要，將使得無線通訊技術(shù)與各種自動化設(shè)備的合作日益密切，使得工業(yè)通信技術(shù)得到改革與創(chuàng)新。

1 ?無線通訊技術(shù)在工業(yè)自動化中的應用

與有線通信技術(shù)相比，無線通訊具有移動性。只要處于通信區(qū)域內(nèi)，終端可以任意移動或布置。組網(wǎng)快速靈活、覆蓋面積廣、擴展能力強的特點使得無線通訊技術(shù)在工業(yè)自動化中有著廣泛的應用。

1.1 ?無線短程網(wǎng)

無線短程網(wǎng)可以利用短距離、小型的無線網(wǎng)絡(luò)在低功耗、低成本的應用環(huán)境要求下提供通信服務，其中最具代表性的是藍牙、ZigBee、UWB技術(shù)、NFC和紅外技術(shù)。在當前的工業(yè)自動化領(lǐng)域中，無線短程網(wǎng)是應用最廣泛的通信技術(shù)之一。在工業(yè)場景中，現(xiàn)場傳感器和其他設(shè)備可以作為無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)相互連接，將其作為內(nèi)部數(shù)據(jù)收集管理的工具?？梢詽M足大部分工廠所需要的生產(chǎn)與管理信息服務。將無線短程網(wǎng)應用于工業(yè)環(huán)境，可以提高工業(yè)系統(tǒng)的自治能力和可靠性。

無線短程網(wǎng)在實際應用中主要有三大優(yōu)點： （1）數(shù)據(jù)傳輸快。無線短程網(wǎng)可以向固定帶寬的用戶提供專門的數(shù)據(jù)信息，這種傳輸方式使擁擠情況大大減少，進而保證通信的效率和速度^[2]。（2）網(wǎng)絡(luò)功能強。一個無線短程網(wǎng)最高可以容納數(shù)萬個從設(shè)備和一個主設(shè)備。而且從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，多個無線短程網(wǎng)絡(luò)可以同時存在于同一個區(qū)域中。（3）運行功耗低。一般情況下，無線短程網(wǎng)工作于休眠狀態(tài)。當信息來臨時進行響應，相對工作時間短，從而最大程度地降低消耗功率，提高工作效率。而且由于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍的限制，傳輸中的障礙相對較少，傳輸功率普遍較低。

1.2 無線局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)利用無線技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、語音和視頻信號，比無線短程網(wǎng)的傳輸距離更遠，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中很受歡迎。無線局域網(wǎng)由站、無線介質(zhì)、無線接入點、分布式系統(tǒng)組成，組網(wǎng)模式包括自組織無線局域網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施無線局域網(wǎng)。自組無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，基礎(chǔ)設(shè)施無線局域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在自組無線局域網(wǎng)中，無線節(jié)點具有平等的通信關(guān)系。發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點直接通信，不需要經(jīng)過中心節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，而且可以在需要時臨時組成。在基礎(chǔ)設(shè)施無線局域網(wǎng)中，無線接入點是中心節(jié)點，節(jié)點之間的通信必須經(jīng)過無線接入點的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)。基礎(chǔ)設(shè)施無線局域網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性比較容易控制，是工業(yè)自動化中最常見的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式。

當前無線局域網(wǎng)領(lǐng)域使用最廣的技術(shù)標準為IEEE802.11，在工業(yè)環(huán)境中，工業(yè)設(shè)備通過隔離型信號轉(zhuǎn)換器將串口信號和網(wǎng)絡(luò)信號相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號要符合無線通信標準，以支持相應的通信協(xié)議。通過這種方式，可以有效擴展工業(yè)環(huán)境中各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信能力^[3]。采用無線局域網(wǎng)組建的工業(yè)自動化通信網(wǎng)絡(luò)有以下三大優(yōu)勢：（1）安裝便捷。無線局域網(wǎng)可以消除或減少工業(yè)布線的工作量。在一般情況下，一個大容量的接入點設(shè)備就可以提供覆蓋一定地區(qū)的本地網(wǎng)絡(luò)。（2）方便擴展。無線局域網(wǎng)的配置多種多樣，實際應用時可以根據(jù)節(jié)點的數(shù)量進行選擇。而且配置之間便于改造升級，只覆蓋少量節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)可以迅速擴展為包括上千節(jié)點的大局域網(wǎng)。（3）便于故障的定位及維護。在實際工業(yè)應用中，有線網(wǎng)絡(luò)的物理故障往往很難發(fā)現(xiàn)具體問題點，而且維護難度很大。但無線局域網(wǎng)對故障的定位能力很強，連接的恢復常常通過更換設(shè)備故障就可做到。

2 ?工業(yè)自動化中無線通訊技術(shù)的發(fā)展

工業(yè)自動化的發(fā)展和升級會對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸提出更高的要求，原先適用的無線通訊技術(shù)由于工業(yè)設(shè)備的增加和數(shù)據(jù)量的猛增，其性能特點已經(jīng)越來越難以滿足需要。而在當前的物聯(lián)網(wǎng)中，新興的低功耗廣域網(wǎng)無線通訊技術(shù)正蓬勃發(fā)展，它所具有的廣覆蓋、大連接、低成本的特點可以很好的滿足工業(yè)自動化的需要。其在工業(yè)自動化的監(jiān)測和采集方面已經(jīng)取得很好的應用，為未來工業(yè)自動化中的無線通訊技術(shù)的發(fā)展提供了方向。

2.1 NB-IOT技術(shù)

NB-IOT是低功耗廣域網(wǎng)中工作于授權(quán)頻譜下的一種無線通訊技術(shù)，它只需要少量的帶寬，可以直接部署到現(xiàn)有的成熟網(wǎng)絡(luò)。這使得它的部署成本很低，升級易于平穩(wěn)實現(xiàn)。NB-IOT的部署方式包括三種，分別為保護帶部署、獨立部署、帶內(nèi)部署，不同的部署方式都可以和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)互相連通^[4]。NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括終端、無線網(wǎng)側(cè)、核心網(wǎng)、平臺、應用服務器五部分。終端通過空口連接到基站。無線網(wǎng)絡(luò)方面包括兩個主要網(wǎng)絡(luò)，一個是全球無線接入網(wǎng)絡(luò)，另一個是NB-IOT新網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)側(cè)負責空口接入處理，高層網(wǎng)元負責非接入層數(shù)據(jù)處理，其中高層網(wǎng)元的數(shù)據(jù)是通過無線網(wǎng)側(cè)與核心網(wǎng)相連轉(zhuǎn)發(fā)得到的。核心網(wǎng)絡(luò)承擔交互功能，負責與終端的非接入層進行交互。業(yè)務的相關(guān)數(shù)據(jù)也要通過核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)處理。平臺接收到核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，將其推送給應用服務器，目前電信平臺是使用最多的平臺^[5]。應用服務器和平臺進行通信進而對設(shè)備進行控制。NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

NB-IOT在工業(yè)自動化中的應用空間巨大，這得益于其突出的兩個優(yōu)勢：功耗優(yōu)勢和數(shù)據(jù)連接優(yōu) ?勢^[6]。NB-IOT的終端設(shè)備待機時間很長，可以高達10年，功耗控制效果顯著。而且其模塊成本控制難度低，一定程度上降低了設(shè)備更新?lián)Q代的難度，便于實現(xiàn)工業(yè)自動化中通訊技術(shù)體系的調(diào)整，減少不必要的資源浪費。NB-IOT的連接能力很突出，在覆蓋區(qū)域中可以有著海量節(jié)點。當滿負荷時，它也可以滿足節(jié)點的信息獲取需要，并且保持在一個較低的延時率水平，對于工業(yè)設(shè)備有著重要意義^[7]。

2.2?LoRa技術(shù)

LoRa是低功耗廣域網(wǎng)中工作于未授權(quán)頻譜的一種無線通訊技術(shù)，它主要運行于世界各地的免費頻段，易于建設(shè)和部署。在當前LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈中，每一環(huán)均有大量的企業(yè)，它促進了LoRa的快速發(fā)展和生態(tài)繁榮。LoRaWAN是LoRa技術(shù)的主要協(xié)議規(guī)范，采用星型無線拓撲結(jié)構(gòu)，由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務器、應用服務器四部分組成^[8]。節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間通過LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)將獲得的數(shù)據(jù)進行處理上傳到網(wǎng)絡(luò)服務器。應用服務器調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務器的信息，可以對數(shù)據(jù)進行查看。LoRa自組網(wǎng)節(jié)點設(shè)計流程如圖4所示。

在工業(yè)自動化中采用LoRa技術(shù)進行數(shù)據(jù)的傳輸有以下三大特點：（1）靈敏度高，功耗低。LoRa采用了線性調(diào)頻的擴頻調(diào)制技術(shù)，帶來很高的鏈路預算。而高鏈路預算使通信距離明顯增加，網(wǎng)絡(luò)效率顯著提高。這種技術(shù)也保持了類似頻移鍵控調(diào)制的相同低功耗特性，從而延長終端電池的使用壽命^[9]。（2）系統(tǒng)容量大?；贚oRa技術(shù)的網(wǎng)關(guān)/樞紐支持并行處理多個數(shù)據(jù)率，從而可以同時采用多種信道業(yè)務，擴大系統(tǒng)容量。（3）支持測距和定位功能。在LoRa系統(tǒng)中，以終端和中央網(wǎng)關(guān)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)通過信號的空中傳輸時間即可進行測距，而定位基于測量網(wǎng)關(guān)和節(jié)點之間的時間差可以實現(xiàn)^[10]。

3??結(jié)論

機器人和人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的升溫，使得工業(yè)自動化已經(jīng)進入發(fā)展的快車道。在未來，智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化將成為工業(yè)自動化不可忽略的發(fā)展方向。其中的基礎(chǔ)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，核心技術(shù)是信息集成。現(xiàn)如今，各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在工業(yè)自動化中得到廣泛的應用，無線通訊儼然已經(jīng)成為工業(yè)自動化中信息控制的主流技術(shù)。不僅無線通訊技術(shù)會給工業(yè)自動化帶來便利，而且工業(yè)自動化進程中衍生的新需要也會激勵無線通訊技術(shù)的革新，二者必將緊密聯(lián)

系、共同前進。隨著低成本智能傳感器的廣泛應用和大數(shù)據(jù)分析必要性的增加，工業(yè)自動化中的數(shù)據(jù)量將會以驚人的速度攀升。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)的增多，讓我們對成本和功耗更加看重。在網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的過程中，安全問題也日益突出，而工業(yè)自動化的控制則要求快速、可靠。在今后，大數(shù)據(jù)量、低延遲、廣覆蓋、高安全性、高可靠性都是工業(yè)自動化中無線通訊技術(shù)的研究方向。

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