工业无线协议的评估：从WirelessHART到LoRaWAN、工业5G

可以直接安装 WirelessHART 仪表，也可配置有线 HART 到无线转换的适配器。

作者：Andrew Cureton

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为市政和楼宇传感器网络设计的基于IoT的无线技术是否能为工业用户提供帮助？即便是在5G时代，可能也没有任何一种无线协议能够解决所有应用问题。

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在进行技术评估时，工程师必须比较、权衡各种因素，例如科里奥利流量计与超声波流量计在特定应用中的优缺点，是该使用有线通信还是使用无线通信，或者是使用哪种无线协议最适合。进行这种类型的比较时，由于所涉及的因素和可能性比较多，因此很少有比工业无线协议更复杂的情况。

从市面上众多的工业无线协议可以看出，每种协议都以特定方式进行了某种优化，以平衡相互影响的特性。这些需要考虑的性能包括：

· 功耗 ：无线功能需要电源，增加功能会增加整体功耗，从而缩短电池寿命。

· 带宽 ：发送少量数据（例如一个过程变 量）更易于设计和实现；增加带宽会增加功耗。

· 更新频率 ：设备发送数据的频率是多少？每天 1 次还是每分钟 6 次？发送频率乘以带宽即可获得总功耗。

· 距离 ：增加传输距离需要更大的功率，但是可以通过有效的天线设计和布置来优化。

· 双向性 ：如果仅传输数据，设备设计相对就比较简单，耗电也更少，但可实现的功能也受到限制 ；

· 可靠性 ：关键数据需要一种带回执验证的传输机制。或者它必须再次发送数据，直到成功为止。

· 安全性 ：只有预期的接收者才能理解数据。

如果工业无线设备位置固定，会使操作变得更复杂。通信两端都固定在适当位置，也就无法在建筑物周边移动以更好地接收信号。

工业无线应用的平衡点

让我们考虑功能的两个极端应用 ：智能手机和水表报告设备。智能手机具有能够想到的所有功能 ：双向通讯、具有多个无线通道并可以处理大量数据，但可靠性较低。会有呼叫丢失、下载文件失败的可能。由用户决定是否再试一次。因此智能手机的电池寿命也相对较短。

水表报告设备发送的数据包非常小，也许每个月只需发送一次，因此电池可以使用 10 年。它不具有双向功能，如果接收系统错过了传输，第二天可以重新发送。工业无线应用则介于两个极端之间，需要找到一个合适的平衡点。

十多年来，WirelessHART（已被国际电工委员会批准成为 IEC 62591）一直作为过程仪表、执行器和其他先进现场设备的最广泛部署的无线协议服务于工业用户（图 1）。它优化了针对特定和关键应用的折衷方案，是一种安全、多供应商、可互操作的无线标准，旨在为过程监控和自动化应用提供高可靠、低延迟的连接。

▎图 1 ：WirelessHART 完全是为支持现场仪表而设计的。本文图片来源 ：艾默生

WirelessHART 使用 IEEE 802.15.4 无线电技术，该技术具有确定性的调度，再加上频率、时间和路径的多样性，可以以极低的功耗实现可靠、确定的数据传输。当更新周期为 30 秒时，WirelessHART 仪表电池的预期寿命为 10 年，并且它还支持低延迟向下通信，且不会牺牲电池寿命，还可与大多数现有的手持式现场设备配合使用，以支持现场校准和诊断。

它传输范围相对较短，但是其自组织网状技术可以将消息从一台仪表传递到另一台仪 表，或通过中继器实现长距离传输或避免网络中断。该网络的短距离和低带宽可延长电池使用寿命，即使更新频率较高也是如此。电池还可以为传感器供电，例如用于测量压力或温度的传感器，该传感器同样低功耗。这样就可以将压力、温度和其它变送器安装在同一装置中，无需任何形式的外部接线。还可以通过添加适配器将任何启用了 HART 协议的仪表，转换为 WirelessHART。

不断扩展的无线应用 

为过程仪表应用开发无线协议并通过所有认证程序，是一项耗时且费钱的工作。在进入工业仪表领域之前，开发人员通常会考察其它可能的应用。

一些较复杂的过程分析仪可能会产生大量数据，并使用工业以太网或 WiFi 输出，但是由于能耗太高不适合使用电池供电。许多仪表还尚未使用互联网连接和 IP 地址。从物联网（IoT）涌现的技术，例如 LoRaWAN，正被作为连接工业、建筑自动化甚至住宅传感器的方式在各种应用中推广。

根据 LoRa 联盟对该协议的描述，LoRaWAN 的网络架构是以星型拓扑结构部署的，其中网关在终端设备和中央网络服务器之间中继消息。网关通过标准 IP 连接到网络服务器，并充当透明网桥，只是将 RF 数据包转换为 IP 数据包，反之亦然。无线通信充分利用 LoRa 物理层的远程特性，在终端设备和一个或多个网关之间进行单点链接。所有模式都可以实现双向通信，并且支持多信道寻址，以在执行诸如固件无线升级或其它批量发布消息之类的任务时，提供支持以便有效利用频谱。

一些工业级的 LoRaWAN 设备已经上市， 宣称其产品的传输范围为 1 英里。但是，这种覆盖范围是以牺牲电池寿命为代价的，即使信息更新时间间隔为 1 小时，承诺的寿命也只有4 年。更新间隔较长，使其只能监视变化非常缓慢的过程变量。

走进工业领域的 5G

现在，5G 正在走向工业领域。大多数讨论都集中在针对智能手机和平板电脑的增强型移动宽带（eMBB）应用上，与针对虚拟现实媒体和超高清视频的 4G 相比有了重大改进。eMBB 支持高达 20 Gbps 的数据速率，其流量是 4G 系统的 10,000 倍。而 5G 的另外两个领域引起了工业用户的关注 ：

1. 超高可靠低时延通信 (uRLLC)，可以为时延要求特别高的关键系统，如自动驾驶汽车和机器控制提供支持。URLLC 提供的传输延迟小于 1 毫秒，数据速率高达 10Mbps。

2. 海量机器类通信（mMTC）技术，支持数据传输速率高达 100kbps 的机器对机器通信。mMTC 应用包括市政计量和智慧城市部署等，在这些应用中，可以接受极低的数据速率（比如每天一次或更少）和高延迟。

许多设备供应商和终端用户公司都期待着 WirelessHART 等工业协议与 5G 以及可能的其他无线协议的共存，以改变全球工业的未来。

关键概念： 

■ 源自 IoT 的新兴技术，正作为一种连接工业和楼宇自动化传感器的方式而得到推广。

■ 没有任何一种无线协议能够解决所有应用问题，在 5G 时代亦是如此。

思考一下： 

您的制造工厂可以从无线协议中获得哪些好处？