工業(yè)無線協(xié)議的評估：WirelessHART

• 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(shù)據(jù)（例如一個過程變 量）更易于設計和實現(xiàn)；增加帶寬會增加功耗。 

• 更新頻率 ：設備發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，設備設計相對就比較簡單，耗電也更少，但可實現(xiàn)的功能也受到限制 ； 

• 可靠性 ：關鍵數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，直到成功為止。 

• 安全性 ：只有預期的接收者才能理解數(shù)據(jù)。

水表報告設備發(fā)送的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)可靠、確定的數(shù)據(jù)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(shù)現(xiàn)有的手持式現(xiàn)場設備配合使用，以支持現(xiàn)場校準和診斷。 

它傳輸范圍相對較短，但是其自組織網(wǎng)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(xiàn)長距離傳輸或避免網(wǎng)絡中斷。該網(wǎng)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。

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(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，并使用工業(yè)以太網(wǎng)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(wǎng)連接和 IP 地址。從物聯(lián)網(wǎng)（IoT）涌現(xiàn)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(jù) LoRa 聯(lián)盟對該協(xié)議的描述，LoRaWAN 的網(wǎng)絡架構是以星型拓撲結構部署的，其中網(wǎng)關在終端設備和中央網(wǎng)絡服務器之間中繼消息。網(wǎng)關通過標準 IP 連接到網(wǎng)絡服務器，并充當透明網(wǎng)橋，只是將 RF 數(shù)據(jù)包轉換為 IP 數(shù)據(jù)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(wǎng)關之間進行單點鏈接。所有模式都可以實現(xiàn)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(jīng)上市， 宣稱其產(chǎn)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。

現(xiàn)在，5G 正在走向工業(yè)領域。大多數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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 ：

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。