當初的無線網是作為有線以太網的一種補充，遵循了IEEE802.3標準，使直接架構于802.3上的無線網產品存在著易受其他微波噪聲干擾,性能不穩(wěn)定,傳輸速率低且不易升級等弱點,不同廠商的產品相互也不兼容,這一切都限制了無線網的進一步應用。

自動化領域正在從有線連接過渡到無線連接。系統(tǒng)的無線控制是物聯(lián)網(IOT)世界的重要組成部分。這種自動化和連接性是IP地址擴展到IPv6的基礎，因此所有內容都可以獨立連接到網絡。自動化系統(tǒng)具有許多不同的無線標準，設備可以與之通信。關鍵是要了解什么類型的數(shù)據和系統(tǒng)將要傳輸?shù)臄?shù)量，以及數(shù)據需要多快和可用的速度。

通信分區(qū)

對于所有自動化系統(tǒng)，無論是單個功能還是通過中央處理器或FPGA處理多個功能的系統(tǒng)，外部通信都需要分區(qū)方案。通信功能與標準內存管理和標準I/O分開。分離是由于通信是結構化同步事件，而大多數(shù)自動化I/O源自控制反饋環(huán)路并且通常是異步的。使用的塊是處理數(shù)據準備和協(xié)議的傳統(tǒng)數(shù)字MCU部分; DAC和ADC，用于在數(shù)字和模擬形式之間轉換數(shù)據，以便通過天線系統(tǒng)發(fā)送;以及用于驅動天線系統(tǒng)的RF收發(fā)器。

邊界和內部/外部組件因供應商而異。主要分區(qū)約束之一取決于無線協(xié)議的選擇。從歷史上看，433 MHz ISM頻段(車庫門開啟器等)和較低頻率(13.3 MHz，27.2 MHz)的專用RF使用了專有協(xié)議。為了與傳統(tǒng)項目兼容，這些RF接口仍可從Linx Technologies的Digi-Key(搜索“RF接收器，發(fā)送器和收發(fā)器完成單元”)獲得，作為發(fā)送器(參見圖1)和接收器模塊。這些系統(tǒng)利用低數(shù)據速率(低于19 kbps)和低數(shù)據量。

圖1：Linx Technology無線“密鑰卡”發(fā)送器

大多數(shù)新的無線系統(tǒng)都有許多高速數(shù)字標準可供選擇，其中傳遞的數(shù)據量和網絡中的節(jié)點數(shù)決定了協(xié)議的選擇。 Digi-Key提供的主要選擇包括Zigbee®(IEEE 802.15.4)，Bluetooth®(Bluetooth SIG支持)，Wi-Fi(IEEE 802.11 a/b/g/n)和蜂窩(CDMA，HSDPA，GSM，EDGE，GPRS)。蜂窩系統(tǒng)主要用于M2M(機器到機器)網絡。

這些產品支持的蜂窩網絡基于數(shù)字分組數(shù)據交換?，F(xiàn)有系統(tǒng)的很大比例，如報警/安全系統(tǒng)，自動柜員機，信息亭，POS終端和工業(yè)自動化，都是為模擬電話通信而設計的。隨著陸地線路的可用性萎縮以及對數(shù)字數(shù)據結果的需求不斷增長，這些系統(tǒng)正在轉向無線。這些系統(tǒng)的設計分區(qū)很簡單，因為模擬調制解調器接口系統(tǒng)有外部改造，無論是獨立還是嵌入式。圖2顯示了Multi-Tech Systems，Inc。的Multiconnect™AW模擬到無線轉換器。該外部轉換器通過RJ11連接與模擬調制解調器連接，支持多個RS232連接，并集成了嵌入式閃存。閃存允許現(xiàn)場升級和修改調制解調器和蜂窩網絡連接。該解決方案保留了系統(tǒng)的現(xiàn)有設計分區(qū)，并且僅需要對網絡的無線方面進行鑒定。

圖2：Multi-Tech MultiConnect AW模擬到無線套件

數(shù)據接口和應用程序

自動化系統(tǒng)的數(shù)據接口正在不斷發(fā)展。歷史上，系統(tǒng)通過時間戳作為信息集傳遞簡單的錯誤代碼和狀態(tài)代碼。這些代碼將轉到另一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有代碼之間的轉換表和代碼的解釋。這允許自動化系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)之間的“最輕”的電線連接。通過無線通信，大大降低了自動化系統(tǒng)的數(shù)據流量，物理接近度和物流成本，從而允許更改正在發(fā)送的數(shù)據的數(shù)量和類型。

新設計解決無線網絡的最簡單方法是通過串行端口連接到完成的無線電子系統(tǒng)。標準串行端口(RS232)和USB有許多選擇。這允許現(xiàn)有的架構系統(tǒng)通過傳統(tǒng)的點對點有線連接提供數(shù)據，狀態(tài)和M2M連接，以保持不變。外部無線電套件可以簡單地連接到端口，套件可以處理IP握手，數(shù)據格式化和模擬子系統(tǒng)功能。

藍牙是一種流行的短距離雙設備連接協(xié)議。雖然它主要被稱為手機耳機的協(xié)議，但通信規(guī)范實際上支持通用數(shù)據應用。該系統(tǒng)對于與短距離接收器和/或移動設備和計算機的通信特別有用，用于跟蹤自動化設備的狀態(tài)。藍牙支持兩類 - 當前規(guī)格下的Class 1最多可達30米，Class 2最高可達10米。當前版本2.x規(guī)范支持高達2.1 Mbps的短突發(fā)數(shù)據，實際數(shù)據傳輸速率為幾百kbps。這些傳輸?shù)臄?shù)據集通常在字節(jié)到千字節(jié)范圍內。整個系統(tǒng)往往在2%的功能工作循環(huán)下運行。完成的USB子系統(tǒng)的示例是Laird Technologies的BRBLU03-010AC和Roving Networks的RN-270M USB藍牙2.0適配器(參見圖3)。藍牙網絡支持擴展范圍和信號聚合應用的收發(fā)器和接入點。

圖3：Roving Networks藍牙收發(fā)器

如果需要多個點對點連接，Zigbee環(huán)境支持網狀網絡。網狀網絡是一種多點對點網絡，允許通過相鄰設備(在3D空間，多層設施以及同一樓層)將數(shù)據中繼回中央網絡核心。該網絡支持WPAN適配器，接入點和模塊，開發(fā)人員套件，網絡擴展器，傳感器和網關。典型應用如圖4所示，其中安裝了Digi XBee™/XBee-Pro™環(huán)境。 Zigbee網絡以250 kbps的數(shù)據速率支持長達1英里的無線距離。該網絡支持高占空比流量，包括狀態(tài)，ID和錯誤代碼，以及收集指標和環(huán)境傳感器的結果。該協(xié)議支持在網狀網上同時通話的多個設備以及多個接口 - RS-232，RS-485，全雙工和半雙工RS-422以及USB。

圖4：Digi XBee-Pro ZB適配器使用配置

家庭和工業(yè)自動化領域的主要傳統(tǒng)連接選項是銅纜以太網或EtherCAT。它們具有明確定義的高速數(shù)據端口，通常通過RJ45連接器連接，并在高占空比(超過60%)下以1 Mbps至600 Mbps的數(shù)據范圍運行。因此，將這些轉換為Wi-Fi(基于802.11的連接)非常簡單，通常不會影響性能。這些網絡可以支持中距離，標稱70米室內/250米室外;在美國的特殊FCC許可下，您可以在3.6 GHz高功率下運行802.11a，最長可達5000米。協(xié)議的a/b/g版本僅支持一個天線和一個用于數(shù)據流的收發(fā)器。這些支持1 Mbps至54 Mbps的數(shù)據速率。 802.11n版本的協(xié)議支持多達四個同步輸入/輸出(MIMO)，每個數(shù)據流最高可達150 Mbps。

與Zigbee系統(tǒng)一樣，這些Wi-Fi網絡包括收發(fā)器，網關，網橋，接入點，擴展器和開發(fā)套件。完整的改造解決方案，如Qualtech Airborne工業(yè)無線以太網解決方案型號ABDG-ET-IN5010，可提供RJ45接口或RS232串行接口，用于802.11b/g網絡。這些裝置目前可用于802.11a/b/g的單天線驅動系統(tǒng)。未來幾年將有更新的設計可用于支持802.11n的MIMO環(huán)境。

由于這些選項代表了對當前有線網絡環(huán)境的改進，因此系統(tǒng)的關鍵組件是無線配置的管理。這些系統(tǒng)可以遠程升級，實現(xiàn)遠程訪問控制，配置和數(shù)據記錄。 Qualtech等產品為企業(yè)方提供了一個通用的管理軟件平臺，可以控制其產品系列，與自動化側連接(有線，RJ45，RS232，USB或其他引腳排列)無關。它們通常是基于Windows的系統(tǒng)，如機載管理中心(AMC)，如圖5所示，其GUI可以具有較短的學習曲線。

圖5：Qualtech空降管理中心

嵌入式無線選項

對于具有空間和功率限制的新設計，外部子系統(tǒng)不是一個實用的解決方案。在這種情況下，建議使用DAC到前端模塊(FEM)或mux/PA/濾波器的數(shù)字接口。這將通過匹配的，面向相反的設置處理系統(tǒng)的發(fā)送側，該設置將進入接收側所需的ADC。公共天線用于接收器和發(fā)射器對。

前端模塊的復雜程度取決于要處理的網絡選項的數(shù)量。它們可以是簡單的單向輸出，這需要兩個部分才能完成連接。一個例子是Microchip的SST12LF02 FEM(見圖6)，它只是一個LNA/PA，一個濾波器和一個開關。該交換機支持到天線的側旁路通道，以便在與2.4 GHz LNA相同的頻段上實現(xiàn)藍牙連接。

圖6：SST12LF02 FEM框圖

下一步是單波段2.4 GHz 802.11b/g/n和BT收發(fā)器模塊，如SiGe半導體/Skyworks解決方案部件號SE2613T(見圖7)，它具有功率檢測器，諧波濾波器，開關/多路復用器，LNA，PA以及相關的通道/設備匹配。

圖7：Skyworks Solutions單頻帶FEM框圖

高端有限元法一直到Skyplex Solutions SE2595L等多波段MIMO兼容(802.11n雙頻段)模塊(見圖8)。這些模塊包含一個發(fā)送和一個接收路徑架構，用作MIMO構建塊，所有RF端口匹配50歐姆。它們包括集成的2.4/5 GHz PA，2.4/5 GHz LNA，TX濾波器，T/R開關和雙工器，以及集成功率檢測器，所有這些都在3.3伏的單電源電壓下工作。

圖8：Skyworks多頻段MIMO FEM框圖

安全

無線系統(tǒng)最近關注的一個領域是數(shù)據和訪問安全性。一旦只是IT世界和業(yè)務通信的領域，Stuxnet攻擊的幽靈就會使所有基于網絡的自動化實現(xiàn)在任何有數(shù)據網絡的地方都需要數(shù)據安全性。信息不是唯一有價值的東西，因為能夠破壞或改變業(yè)務和制造流程具有明確的市場價值并且更難以追蹤。由于大多數(shù)自動化系統(tǒng)開發(fā)人員只熟悉系統(tǒng)設計的IP保護，因此Digi國際嵌入式無線安全產品培訓模塊是嵌入式應用無線安全的入門模塊，可在Digi-Key網站上獲得。

為了幫助嵌入式應用解決M2M通信中的安全問題，可以使用可集成的無線網絡服務器，如Qualtech WLNG-XX-DP551系列 - 堅固耐用，安全，高可靠性的Wi-Fi模塊。該系統(tǒng)不僅具有完整的軟件支持，還具有SPI，以太網，GPIO，UART和802.11網絡的可配置接口。這些是對單個OEM板級組件中的完整RF，網絡堆棧和安全/密鑰處理的補充。圖9顯示了具有ARM9™處理器，本地存儲器，電源管理，以太網PHY和完整802.11 b/g無線電的模塊架構。

圖9：Qualtech Airborne嵌入式無線設備服務器