吳志遠(yuǎn) 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(yīng)用已經(jīng)涉及到生活的各個(gè)方面。在目前，網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)都需要更佳的無線通訊技術(shù)進(jìn)行支撐。由于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性，我 們不能對(duì)無線通訊技術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用一概而論。不同的無線通訊技術(shù)，其特點(diǎn)也往往不同，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們要結(jié)合工作場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求綜合考量。本文將對(duì)當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化中常用的無線通訊技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合以NB-IOT、LoRa為代表的當(dāng)前新興無線通訊技術(shù)，探究未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：?無線通訊技術(shù);工業(yè)自動(dòng)化;應(yīng)用;發(fā)展

中圖分類號(hào)： TP91????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.043

本文著錄格式：吳志遠(yuǎn)，張舸帆，張前咨. 無線通訊技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)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(shí)施使我國工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的市場(chǎng)需求不斷增大，而且在未來的一段時(shí)期內(nèi)我國對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的需求都將保持較高的增長(zhǎng)率。在國家政策的大力支持和長(zhǎng)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(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)提供了強(qiáng)有力的支持。在當(dāng)前的信息時(shí)代背景下，無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍越來越廣。其自身具

有采用無線電波傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，從而可以在一些工業(yè)環(huán)境復(fù)雜的情況下便利的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使得自動(dòng)化系統(tǒng)有效進(jìn)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(dòng)化不斷升級(jí)帶來的客觀需要，將使得無線通訊技術(shù)與各種自動(dòng)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(dòng)化中的應(yīng)用

與有線通信技術(shù)相比，無線通訊具有移動(dòng)性。只要處于通信區(qū)域內(nèi)，終端可以任意移動(dòng)或布置。組網(wǎng)快速靈活、覆蓋面積廣、擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)使得無線通訊技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中有著廣泛的應(yīng)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(yīng)用環(huán)境要求下提供通信服務(wù)，其中最具代表性的是藍(lán)牙、ZigBee、UWB技術(shù)、NFC和紅外技術(shù)。在當(dāng)前的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，無線短程網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的通信技術(shù)之一。在工業(yè)場(chǎng)景中，現(xiàn)場(chǎng)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。可以滿足大部分工廠所需要的生產(chǎn)與管理信息服務(wù)。將無線短程網(wǎng)應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中主要有三大優(yōu)點(diǎn)： （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(jìn)而保證通信的效率和速度^[2]。（2）網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)。一個(gè)無線短程網(wǎng)最高可以容納數(shù)萬個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備。而且從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，多個(gè)無線短程網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)存在于同一個(gè)區(qū)域中。（3）運(yùn)行功耗低。一般情況下，無線短程網(wǎng)工作于休眠狀態(tài)。當(dāng)信息來臨時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，相對(duì)工作時(shí)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(duì)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(hào)，比無線短程網(wǎng)的傳輸距離更遠(yuǎn)，在工業(yè)自動(dòng)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(diǎn)、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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，基礎(chǔ)設(shè)施無線局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

在自組無線局域網(wǎng)中，無線節(jié)點(diǎn)具有平等的通信關(guān)系。發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)直接通信，不需要經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，而且可以在需要時(shí)臨時(shí)組成。在基礎(chǔ)設(shè)施無線局域網(wǎng)中，無線接入點(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的通信必須經(jīng)過無線接入點(diǎn)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)?；A(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(dòng)化中最常見的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式。

當(dāng)前無線局域網(wǎng)領(lǐng)域使用最廣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.11，在工業(yè)環(huán)境中，工業(yè)設(shè)備通過隔離型信號(hào)轉(zhuǎn)換器將串口信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)要符合無線通信標(biāo)準(zhǔn)，以支持相應(yīng)的通信協(xié)議。通過這種方式，可以有效擴(kuò)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(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)有以下三大優(yōu)勢(shì)：（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(gè)大容量的接入點(diǎn)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(kuò)展。無線局域網(wǎng)的配置多種多樣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行選擇。而且配置之間便于改造升級(jí)，只覆蓋少量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)可以迅速擴(kuò)展為包括上千節(jié)點(diǎn)的大局域網(wǎng)。（3）便于故障的定位及維護(hù)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)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(diǎn)，而且維護(hù)難度很大。但無線局域網(wǎng)對(duì)故障的定位能力很強(qiáng)，連接的恢復(fù)常常通過更換設(shè)備故障就可做到。

2 ?工業(yè)自動(dòng)化中無線通訊技術(shù)的發(fā)展

工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展和升級(jí)會(huì)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)已經(jīng)越來越難以滿足需要。而在當(dāng)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(diǎn)可以很好的滿足工業(yè)自動(dòng)化的需要。其在工業(yè)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和采集方面已經(jīng)取得很好的應(yīng)用，為未來工業(yè)自動(dòng)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(jí)易于平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)。NB-IOT的部署方式包括三種，分別為保護(hù)帶部署、獨(dú)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(tái)、應(yīng)用服務(wù)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(gè)主要網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)是全球無線接入網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)是NB-IOT新網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)側(cè)負(fù)責(zé)空口接入處理，高層網(wǎng)元負(fù)責(zé)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(dān)交互功能，負(fù)責(zé)與終端的非接入層進(jìn)行交互。業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)也要通過核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)處理。平臺(tái)接收到核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，將其推送給應(yīng)用服務(wù)器，目前電信平臺(tái)是使用最多的平臺(tái)^[5]。應(yīng)用服務(wù)器和平臺(tái)進(jìn)行通信進(jìn)而對(duì)設(shè)備進(jìn)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(dòng)化中的應(yīng)用空間巨大，這得益于其突出的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：功耗優(yōu)勢(shì)和數(shù)據(jù)連接優(yōu) ?勢(shì)^[6]。NB-IOT的終端設(shè)備待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，可以高達(dá)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(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化中通訊技術(shù)體系的調(diào)整，減少不必要的資源浪費(fèi)。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(diǎn)。當(dāng)滿負(fù)荷時(shí)，它也可以滿足節(jié)點(diǎn)的信息獲取需要，并且保持在一個(gè)較低的延時(shí)率水平，對(duì)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(yùn)行于世界各地的免費(fèi)頻段，易于建設(shè)和部署。在當(dāng)前LoRa的產(chǎn)業(yè)鏈中，每一環(huán)均有大量的企業(yè)，它促進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器四部分組成^[8]。節(jié)點(diǎn)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(jìn)行處理上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的信息，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。LoRa自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

在工業(yè)自動(dòng)化中采用LoRa技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸有以下三大特點(diǎn)：（1）靈敏度高，功耗低。LoRa采用了線性調(diào)頻的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，帶來很高的鏈路預(yù)算。而高鏈路預(yù)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(zhǎng)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(gè)數(shù)據(jù)率，從而可以同時(shí)采用多種信道業(yè)務(wù)，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。（3）支持測(cè)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(hào)的空中傳輸時(shí)間即可進(jìn)行測(cè)距，而定位基于測(cè)量網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差可以實(shí)現(xiàn)^[10]。

3??結(jié)論

機(jī)器人和人工智能等新興產(chǎn)業(yè)的升溫，使得工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)進(jìn)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(dòng)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?，F(xiàn)如今，各種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用，無線通訊儼然已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化中信息控制的主流技術(shù)。不僅無線通訊技術(shù)會(huì)給工業(yè)自動(dòng)化帶來便利，而且工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中衍生的新需要也會(huì)激勵(lì)無線通訊技術(shù)的革新，二者必將緊密聯(lián)

系、共同前進(jìn)。隨著低成本智能傳感器的廣泛應(yīng)用和大數(shù)據(jù)分析必要性的增加，工業(yè)自動(dòng)化中的數(shù)據(jù)量將會(huì)以驚人的速度攀升。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多，讓我們對(duì)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(dòng)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(dòng)化中無線通訊技術(shù)的研究方向。

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