無線通訊技術在工業(yè)自動化中的應用及發(fā)展

吳志遠 張舸帆 張前咨

摘 ?要： 隨著我國無線通訊技術的蓬勃發(fā)展，其應用已經涉及到生活的各個方面。在目前，網絡化和智能化已經成為工業(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的業(yè)務應用一概而論。不同的無線通訊技術，其特點也往往不同，實際應用時，我們要結合工作場景和業(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進行分析，并結合以NB-IOT、LoRa為代表的當前新興無線通訊技術，探究未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：?無線通訊技術;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)自動化設備的市場需求不斷增大，而且在未來的一段時期內我國對工業(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積累下，現(xiàn)階段我國的電子信息產業(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，無線網絡的應用范圍越來越廣。其自身具

有采用無線電波傳輸的優(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)數據傳輸，使得自動化系統(tǒng)有效進行^[1]。無線通訊技術發(fā)展帶來的技術支持和工業(yè)自動化不斷升級帶來的客觀需要，將使得無線通訊技術與各種自動化設備的合作日益密切，使得工業(yè)通信技術得到改革與創(chuàng)新。

1 ?無線通訊技術在工業(yè)自動化中的應用

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

1.1 ?無線短程網

無線短程網可以利用短距離、小型的無線網絡在低功耗、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、NFC和紅外技術。在當前的工業(yè)自動化領域中，無線短程網是應用最廣泛的通信技術之一。在工業(yè)場景中，現(xiàn)場傳感器和其他設備可以作為無線傳感器控制網絡相互連接，將其作為內部數據收集管理的工具?？梢詽M足大部分工廠所需要的生產與管理信息服務。將無線短程網應用于工業(yè)環(huán)境，可以提高工業(yè)系統(tǒng)的自治能力和可靠性。

無線短程網在實際應用中主要有三大優(yōu)點： （1）數據傳輸快。無線短程網可以向固定帶寬的用戶提供專門的數據信息，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）網絡功能強。一個無線短程網最高可以容納數萬個從設備和一個主設備。而且從網絡結構來看，多個無線短程網絡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。而且由于網絡區(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

無線局域網利用無線技術在空中傳輸數據、語音和視頻信號，比無線短程網的傳輸距離更遠，在工業(yè)自動化領域中很受歡迎。無線局域網由站、無線介質、無線接入點、分布式系統(tǒng)組成，組網模式包括自組織無線局域網和基礎設施無線局域網。自組無線局域網拓撲結構如圖1所示，基礎設施無線局域網拓撲結構如圖2所示。

在自組無線局域網中，無線節(jié)點具有平等的通信關系。發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點直接通信，不需要經過中心節(jié)點的轉發(fā)，而且可以在需要時臨時組成。在基礎設施無線局域網中，無線接入點是中心節(jié)點，節(jié)點之間的通信必須經過無線接入點的中轉實現(xiàn)?；A設施無線局域網絡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絡組網模式。

當前無線局域網領域使用最廣的技術標準為IEEE802.11，在工業(yè)環(huán)境中，工業(yè)設備通過隔離型信號轉換器將串口信號和網絡信號相互轉換。轉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)境中各種設備的網絡通信能力^[3]。采用無線局域網組建的工業(yè)自動化通信網絡有以下三大優(yōu)勢：（1）安裝便捷。無線局域網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備就可以提供覆蓋一定地區(qū)的本地網絡。（2）方便擴展。無線局域網的配置多種多樣，實際應用時可以根據節(jié)點的數量進行選擇。而且配置之間便于改造升級，只覆蓋少量節(jié)點的網絡可以迅速擴展為包括上千節(jié)點的大局域網。（3）便于故障的定位及維護。在實際工業(yè)應用中，有線網絡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。但無線局域網對故障的定位能力很強，連接的恢復常常通過更換設備故障就可做到。

2 ?工業(yè)自動化中無線通訊技術的發(fā)展

工業(yè)自動化的發(fā)展和升級會對工業(yè)現(xiàn)場的數據傳輸提出更高的要求，原先適用的無線通訊技術由于工業(yè)設備的增加和數據量的猛增，其性能特點已經越來越難以滿足需要。而在當前的物聯(lián)網中，新興的低功耗廣域網無線通訊技術正蓬勃發(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)測和采集方面已經取得很好的應用，為未來工業(yè)自動化中的無線通訊技術的發(fā)展提供了方向。

2.1 NB-IOT技術

NB-IOT是低功耗廣域網中工作于授權頻譜下的一種無線通訊技術，它只需要少量的帶寬，可以直接部署到現(xiàn)有的成熟網絡。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、帶內部署，不同的部署方式都可以和現(xiàn)有的網絡互相連通^[4]。NB-IOT的網絡結構包括終端、無線網側、核心網、平臺、應用服務器五部分。終端通過空口連接到基站。無線網絡方面包括兩個主要網絡，一個是全球無線接入網絡，另一個是NB-IOT新網絡。無線網側負責空口接入處理，高層網元負責非接入層數據處理，其中高層網元的數據是通過無線網側與核心網相連轉發(fā)得到的。核心網絡承擔交互功能，負責與終端的非接入層進行交互。業(yè)務的相關數據也要通過核心網轉發(fā)處理。平臺接收到核心網轉發(fā)的數據，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備進行控制。NB-IOT的網絡架構如圖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)勢和數據連接優(yōu) ?勢^[6]。NB-IOT的終端設備待機時間很長，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)自動化中通訊技術體系的調整，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)設備有著重要意義^[7]。

2.2?LoRa技術

LoRa是低功耗廣域網中工作于未授權頻譜的一種無線通訊技術，它主要運行于世界各地的免費頻段，易于建設和部署。在當前LoRa的產業(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技術的主要協(xié)議規(guī)范，采用星型無線拓撲結構，由節(jié)點、網關、網絡服務器、應用服務器四部分組成^[8]。節(jié)點和網關之間通過LoRa網絡傳輸數據，網關將獲得的數據進行處理上傳到網絡服務器。應用服務器調用網絡服務器的信息，可以對數據進行查看。LoRa自組網節(jié)點設計流程如圖4所示。

在工業(yè)自動化中采用LoRa技術進行數據的傳輸有以下三大特點：（1）靈敏度高，功耗低。LoRa采用了線性調頻的擴頻調制技術，帶來很高的鏈路預算。而高鏈路預算使通信距離明顯增加，網絡效率顯著提高。這種技術也保持了類似頻移鍵控調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技術的網關/樞紐支持并行處理多個數據率，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，以終端和中央網關為基礎的系統(tǒng)通過信號的空中傳輸時間即可進行測距，而定位基于測量網關和節(jié)點之間的時間差可以實現(xiàn)^[10]。

3??結論

機器人和人工智能等新興產業(yè)的升溫，使得工業(yè)自動化已經進入發(fā)展的快車道。在未來，智能化、網絡化和集成化將成為工業(yè)自動化不可忽略的發(fā)展方向。其中的基礎是工業(yè)網絡，核心技術是信息集成?，F(xiàn)如今，各種網絡架構在工業(yè)自動化中得到廣泛的應用，無線通訊儼然已經成為工業(yè)自動化中信息控制的主流技術。不僅無線通訊技術會給工業(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據分析必要性的增加，工業(yè)自動化中的數據量將會以驚人的速度攀升。網絡中節(jié)點個數的增多，讓我們對成本和功耗更加看重。在網絡快速發(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，大數據量、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的研究方向。

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