工业环境中无线以太网通信的实现

原文来源：THE INDUSTRIAL WIRELESS BOOK TECHNICAL ARTICLE: IMPLEMENTING WIRELESS ETHERNET COMMUNICATIONS IN INDUSTRIAL ENVIRONMENTS Implementation of Wireless Ethernet solutions is migrating into the industrial arena. Wireless solutions are not limited to Ethernet but cover GSM, GPRS, Bluetooth and Serial Data. The primary factor when designing a Wireless solution is appreciating that the radio frequency characteristics cannot be altered regardless of equipment manufacturer. This article will highlight the above issues and ensure that they do not turn into major problems when implementing such a network. 工业以太网 　　无线以太网解决方案的施行正在迁移到工业领域中。无线解决方案不仅局限于以太网，而且涵盖了GSM、GPRS、蓝牙和串行数据通信等。设计一个无线技术解决方案时考虑的首要因素是鉴别不容忽视的无线频率特性，而不管设备是来自哪个制造商。本文将就上述问题给予强调，以保证在建设一个网络的时候它们不会成为主要问题。 　　从体面的办公室环境迁移到工厂现场，工业以太网的关键应用需要确保有弹性和容错力强的网络，如今这已能被IEEE标准有效支持，从而使所有设备正确地互操作和运行。 　　在工业以太网市场，主流制造商努力确保网络能确定性地传递关键数据，并通过建立的冗余物理通信媒介，保证任何电缆上的损失对于数据吞吐的影响最小。他们制造的网络产品，能够简单链接，易于识别诊断故障，最重要的是不会受环境状况的影响。 　　事实上，不断跟随和超越现实的IEEE标准，确保了上述几点对于任何网络设计实施的帮助。此外由于有线解决方案已存在一段时间，通过长期广泛各式各样的安装发展建立的规则，使得安装调试铜缆光纤网络时的主要已知问题可以被消除。 　　设计有线网络时的关键因素是考虑用于传输数据的物理媒介，能够通过单一协议或多种数据格式，使得铜缆或光纤方案更安全——这是设计一个安全弹性的网络要考虑的首要因素。 Wireless 无线 　　在多数的“无线”应用中，经常会有唯一的简单的结论：所有的“无线”设备和协议拥有同样的特性——事实远非如此。 　　无线电频率频谱范围（图1）从DC到自然光。正如我们知道但经常遗忘的是，无线频谱是完全开放的，除了独立政党组织外没有任何人可以获得保证的频率。重要的是，在特定频率的一个传输范围中，无线射频很容易被被一系列障碍物造成直接和不利的影响。被用在以太网和其他应用中的无线电频率，在文档中清楚地显示，在人们的眼睛中却无影无踪。重要地是，所有频率对任何人都是开放的；这些特征能使无线在关键应用中发挥作用而使人们安心吗？ 　　不像无线射频，铜缆和光纤解决方案提供了一个专门的传输线路，可以传送控制数据、音频、视频和使用多种协议。但是，如果所需的单一协议能够被通过专门的光纤或铜缆传送，从而提供额外的网络弹性抑制冲突或增强安全。（it它需要单一的能用专门的光纤或铜缆来传送的协议，从而提供额外的网络弹性来抑制冲突或增强安全。）因此，铜缆和光纤解决方案，提供了物理可见的方案，从而使人安心于数据正通过安全媒介传输。 长波 中波 短波 甚高频（调频）广播 电视广播 GSM低频 GSM高频 雷达波段Figure 1 - RF Spectrum Chart 图1射频频率图 　　因此，在设计实施任何网络前，需要澄清射频的两大特性——疏忽这两个特性将使建成的网络不如人意。这两个特性可以概括为： 　　　• 射频方案将会受自然位置或者环境特征影响。 　　　• 射频在离开收发装置后能够被监控、探测、修改、破坏。 　　一个对射频特性的快速测定显明，射频对外来发射源干扰较敏感（图2）。 　　长波频率主要被用于世界上绝大多数海军的通信。在长距离状况下，我们确定自然环境不是影响射频的主要干扰。然而，尽管数据可以被长距离地传输，但传输速率却非常低，不适合本文所表述的工业应用所要求的高速率。 　　高频通信（红外）可用于工业用途。尽管其可以完成高速率数据传输，但红外线的物理特性使得其能轻易地被尘埃潮湿和绝大多数空气污染物影响干扰。可见光和红外线有着相似的性质，容易被门墙等障碍物所阻挡，被雨雾所削弱。 　　因而总体上来说： 　　•低频无线 　　 更强的穿透能力 　　 不易被干扰 　　 理想空间里传输的更远 　　 低数据传输速率 　　•高频通信 　　 被大多数物质吸收 　　 易被干扰 　　 理想空间下传输距离短 高速调幅AM广播 - 535 KHz > 1.7 MHz 短波 - 5.9 MHz > 26.1 MHz 城市波段 - 26.96 MHz > 27.41 MHz 电视台 - 54 > 88 MHz For Channels 2 through 6 FM调频 - 88 MHz > 108 MHz 电视台 - 174 > 220 MHz For Channels 7 through 13 图2 无线以太网 　　无线以太网解决方案中，2.4 GHz或869 MHz是主要的选择频率。因此对应着两个射频选择，有着两个需要考虑的频率特性（图3）。 　　在2.4GHz频率上除了如蓝牙这样其他类型的协议外，无线以太网标准有两个（802.11b、802.11g）。根据经验，频率越高，传输速率越高，传输速率却显著降低。另外，在英国，发射机的功率是受限制的。所以总的来说，虽然2.4GHz能够为以太网连接提供好的数据传输速率，它却受限于传输距离和消耗能量。 　　• 802.11b 　　　最高数据传输速率 11MBits/s 　　　工厂内最远传输距离100米 　　　能被墙体等主要建筑物所阻挡 　　• 802.11g 　　　最高数据传输速率 54MBits/s 　　　工厂内最远传输距离30 Meters 　　　能被墙体等主要建筑物所阻挡 　802.11标准涵盖多种无线局域网(WLANS)标准，其中802.11b、802.11g是两个流行标准。当前802.11b标准主要用于工厂自动化，其频率特性和采用DSSS（直接序列扩频）技术来增加传输使得其非常适合。然而，尽管802.11g由于采用OFDM（正交频分复用技术）而不是DSSS 显著增加数据传输速度，它们仍然工作在2.4GHz 频率。 2.4GHz上的共有干扰： 　　　• 微波炉. (2.4GHz之所以被水影响是因为射频试图加热而非穿越它). 　　• 蓝牙装置. 　　• 开放无线频谱 – 因频段利用无法律约束而工作在2.4GHz的无限制装置 　　869MHz频率在英国以及大多数欧洲国家被用来串行和遥感数据通信很多年了。这个频率被用来实施各种各样的应用，主要因为它是一个免许可证波段。然而，（在英国）这个频段由通信监管局（OFCOM）管理，其设立了一系列的标准保证频率不被某个用户劫持霸占。因此总结869MHz，虽然其降低了数据吞吐量（理想串行通信和遥测应用)，但它是由OFCOM管理，从而原则上保证了所有使用此频率的用户网络都能正确运行。 　　　最大传输速率 76KBits/s 　　　工厂内最远传输距离 5 KM 　　　不易被墙体等主要建筑物所阻挡 图3 建设一个网络 　　因为在工厂自动化和过程控制环境中，无线网络和有线网络的应用是相似的，所以其同样需要一个安全和弹性的系统。在一切频率使用中，有着点对点、点对多点、网络转发、网桥、路由等多种可用可能的一系列应用。 　　为确保无线通信网络能正确地运行，并遵从一个恰当的协议，一个网路接入点（AP）是必须重点考虑的。作为网络焦点或“接入点”(AP) 这个单元处理所有网络信息流量，也就是说所有射频网络信息流量都要通过这个单元。因为所有的数据都要通过这个单元，网络负载就必须要考虑——一个11MBits/s 的带宽需求由所有本地网络设备共享。 　　每一个无线通信在登录网络之前都需要从网络接入点取得授权，不管这是一个简单的点对点连接还是一个复杂多址系统——因为接入点AP处理所有的网络流量。因此,不同于有线系统那样数据可以从一个单元到另一个单元而无需通过中央交换机，一个无线网络不能形成一个确定性网络。 　　因此，接入点（AP）是构成任何网络的重要部分，在一个环境变化区域，一个RF解决方案可能会形成直线或星型拓扑，在建设一个射频网络前，一个无线站点分布的勘测极为重要。 无线站点勘测 　　有线方案通过通过铜缆或者光纤来实施，如果有任何错误发生，有线连接设备使得错误很被找出和锁定位置。然而，如先前描述的那样，射频很容易被干扰影响。在相同功率下，RF不一定传输相同的距离。墙体、门、电梯和人体都可以削弱信号使得射频无规律和不可预料。因此，采用一个全方向天线的方案而满足安装需求将会导致失败。 　　正确实施网络站点勘测的目的在于提供充分信息，以保证正确的接入点数量和一般射频单元位置和特殊天线类型和位置，从而建立如同有线网络一样弹性的网络。 基本站点勘测执行步骤： 　　• 设备图表 　获得一个工具图表可以让工程师了解障碍物分布和设备的全部规划。如果可能，应该采取GPS坐标来确定天线的正确位置。 　　• 装置区域分布 　无线频率影响网络上有线设备和射频设备（或AP接入点）之间的实际距离。这个距离应保持在最低水平。 　　• 接入点分布 　　在需要AP接入点的地方，它的恰当位置标示可以从设备图表中确定——它们是充分重叠的吗？ 　　• 动态站点勘测 带有大范围天线的实际AP接