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工業(yè)無線協(xié)議的評估：WirelessHART
可以直接安裝 WirelessHART 儀表，也可配置有線 HART 到無線轉換的適配器
在進行技術評估時，工程師必須比較、權衡各種因素，例如科里奧利流量計與超聲波流量計在特定應用中的優(yōu)缺點，是該使用有線通信還是使用無線通信，或者是使用哪種無線協(xié)議適合。進行這種類型的比較時，由于所涉及的因素和可能性比較多，因此很少有比工業(yè)無線協(xié)議更復雜的情況。
從市面上眾多的工業(yè)無線協(xié)議可以看出，每種協(xié)議都以特定方式進行了某種優(yōu)化，以平衡相互影響的特性。這些需要考慮的性能包括：
• 功耗 ：無線功能需要電源，增加功能會增加整體功耗，從而縮短電池壽命。
• 帶寬 ：發(fā)送少量數據（例如一個過程變 量）更易于設計和實現；增加帶寬會增加功耗。
• 更新頻率 ：設備發(fā)送數據的頻率是多少？每天 1 次還是每分鐘 6 次？發(fā)送頻率乘以帶寬即可獲得總功耗。
• 距離 ：增加傳輸距離需要更大的功率，但是可以通過有效的天線設計和布置來優(yōu)化。
• 雙向性 ：如果僅傳輸數據，設備設計相對就比較簡單，耗電也更少，但可實現的功能也受到限制 ；
• 可靠性 ：關鍵數據需要一種帶回執(zhí)驗證的傳輸機制?；蛘咚仨氃俅伟l(fā)送數據，直到成功為止。
• 安全性 ：只有預期的接收者才能理解數據。
如果工業(yè)無線設備位置固定，會使操作變得更復雜。通信兩端都固定在適當位置，也就無法在建筑物周邊移動以更好地接收信號。
工業(yè)無線應用的平衡點
讓我們考慮功能的兩個復雜應用 ：智能手機和水表報告設備。智能手機具有能夠想到的所有功能 ：雙向通訊、具有多個無線通道并可以處理大量數據，但可靠性較低。會有呼叫丟失、下載文件失敗的可能。由用戶決定是否再試一次。因此智能手機的電池壽命也相對較短。
水表報告設備發(fā)送的數據包非常小，也許每個月只需發(fā)送一次，因此電池可以使用 10 年。它不具有雙向功能，如果接收系統(tǒng)錯過了傳輸，第二天可以重新發(fā)送。工業(yè)無線應用則介于兩者之間，需要找到一個合適的平衡點。
十多年來，WirelessHART（已被國際電工委員會批準成為 IEC 62591）一直作為過程儀表、執(zhí)行器和其他*現場設備的廣泛部署的無線協(xié)議服務于工業(yè)用戶（圖 1）。它優(yōu)化了針對特定和關鍵應用的折衷方案，是一種安全、多供應商、可互操作的無線標準，旨在為過程監(jiān)控和自動化應用提供高可靠、低延遲的連接。
▎圖 1 ：WirelessHART *是為支持現場儀表而設計的。本文圖片來源 ：艾默生
WirelessHART 使用 IEEE 802.15.4 無線電技術，該技術具有確定性的調度，再加上頻率、時間和路徑的多樣性，可以以極低的功耗實現可靠、確定的數據傳輸。當更新周期為 30 秒時，WirelessHART 儀表電池的預期壽命為 10 年，并且它還支持低延遲向下通信，且不會犧牲電池壽命，還可與大多數現有的手持式現場設備配合使用，以支持現場校準和診斷。
它傳輸范圍相對較短，但是其自組織網狀技術可以將消息從一臺儀表傳遞到另一臺儀 表，或通過中繼器實現長距離傳輸或避免網絡中斷。該網絡的短距離和低帶寬可延長電池使用壽命，即使更新頻率較高也是如此。電池還可以為傳感器供電，例如用于測量壓力或溫度的傳感器，該傳感器同樣低功耗。這樣就可以將壓力、溫度和其它變送器安裝在同一裝置中，無需任何形式的外部接線。還可以通過添加適配器將任何啟用了 HART 協(xié)議的儀表，轉換為 WirelessHART。
不斷擴展的無線應用
為過程儀表應用開發(fā)無線協(xié)議并通過所有認證程序，是一項耗時且費錢的工作。在進入工業(yè)儀表領域之前，開發(fā)人員通常會考察其它可能的應用。
一些較復雜的過程分析儀可能會產生大量數據，并使用工業(yè)以太網或 WiFi 輸出，但是由于能耗太高不適合使用電池供電。許多儀表還尚未使用互聯(lián)網連接和 IP 地址。從物聯(lián)網（IoT）涌現的技術，例如 LoRaWAN，正被作為連接工業(yè)、建筑自動化甚至住宅傳感器的方式在各種應用中推廣。
根據 LoRa 聯(lián)盟對該協(xié)議的描述，LoRaWAN 的網絡架構是以星型拓撲結構部署的，其中網關在終端設備和中央網絡服務器之間中繼消息。網關通過標準 IP 連接到網絡服務器，并充當透明網橋，只是將 RF 數據包轉換為 IP 數據包，反之亦然。無線通信充分利用 LoRa 物理層的遠程特性，在終端設備和一個或多個網關之間進行單點鏈接。所有模式都可以實現雙向通信，并且支持多信道尋址，以在執(zhí)行諸如固件無線升級或其它批量發(fā)布消息之類的任務時，提供支持以便有效利用頻譜。
一些工業(yè)級的 LoRaWAN 設備已經上市， 宣稱其產品的傳輸范圍為 1 英里。但是，這種覆蓋范圍是以犧牲電池壽命為代價的，即使信息更新時間間隔為 1 小時，承諾的壽命也只有4 年。更新間隔較長，使其只能監(jiān)視變化非常緩慢的過程變量。
走進工業(yè)領域的 5G
現在，5G 正在走向工業(yè)領域。大多數討論都集中在針對智能手機和平板電腦的增強型移動寬帶（eMBB）應用上，與針對虛擬現實媒體和超高清視頻的 4G 相比有了重大改進。eMBB 支持高達 20 Gbps 的數據速率，其流量是 4G 系統(tǒng)的 10,000 倍。而 5G 的另外兩個領域引起了工業(yè)用戶的關注 ：
1. 超高可靠低時延通信 (uRLLC)，可以為時延要求特別高的關鍵系統(tǒng)，如自動駕駛汽車和機器控制提供支持。URLLC 提供的傳輸延遲小于 1 毫秒，數據速率高達 10Mbps。
2. 海量機器類通信（mMTC）技術，支持數據傳輸速率高達 100kbps 的機器對機器通信。mMTC 應用包括市政計量和智慧城市部署等，在這些應用中，可以接受極低的數據速率（比如每天一次或更少）和高延遲。
許多設備供應商和終端用戶公司都期待著 WirelessHART 等工業(yè)協(xié)議與 5G 以及可能的其他無線協(xié)議的共存，以改變工業(yè)的未來。