在進(jìn)行技術(shù)評估時(shí)，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(diǎn)，是該使用有線(xiàn)通信還是使用無(wú)線(xiàn)通信，或者是使用哪種無(wú)線(xiàn)協(xié)議最適合。進(jìn)行這種類(lèi)型的比較時(shí)，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(wú)線(xiàn)協(xié)議更復雜的情況。
從市面上眾多的工業(yè)無(wú)線(xiàn)協(xié)議可以看出，每種協(xié)議都以特定方式進(jìn)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(wú)線(xiàn)功能需要電源，增加功能會(huì )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(gè)過(guò)程變量）更易于設計和實(shí)現；增加帶寬會(huì )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(guò)有效的天線(xiàn)設計和布置來(lái)優(yōu)化。
●雙向性：如果僅傳輸數據，設備設計相對就比較簡(jiǎn)單，耗電也更少，但可實(shí)現的功能也受到限制；
●可靠性：關(guān)鍵數據需要一種帶回執驗證的傳輸機制?；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(wú)線(xiàn)設備位置固定，會(huì )使操作變得更復雜。通信兩端都固定在適當位置，也就無(wú)法在建筑物周邊移動(dòng)以更好地接收信號。
工業(yè)無(wú)線(xiàn)應用的平衡點(diǎn)
讓我們考慮功能的兩個(gè)極端應用：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(gè)無(wú)線(xiàn)通道并可以處理大量數據，但可靠性較低。會(huì )有呼叫丟失、下載文件失敗的可能。由用戶(hù)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(gè)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，如果接收系統錯過(guò)了傳輸，第二天可以重新發(fā)送。
工業(yè)無(wú)線(xiàn)應用則介于兩個(gè)極端之間，需要找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。
十多年來(lái)，WirelessHART（已被國際電工委員會(huì )批準成為IEC 62591）一直作為過(guò)程儀表、執行器和其他先進(jìn)現場(chǎng)設備的最廣泛部署的無(wú)線(xiàn)協(xié)議服務(wù)于工業(yè)用戶(hù)（圖1）。它優(yōu)化了針對特定和關(guān)鍵應用的折衷方案，是一種安全、多供應商、可互操作的無(wú)線(xiàn)標準，旨在為過(guò)程監控和自動(dòng)化應用提供高可靠、低延遲的連接。
圖1：WirelessHART完全是為支持現場(chǎng)儀表而設計的。本文圖片來(lái)源：艾默生
WirelessHART使用IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，該技術(shù)具有確定性的調度，再加上頻率、時(shí)間和路徑的多樣性，可以以極低的功耗實(shí)現可靠、確定的數據傳輸。當更新周期為30秒時(shí)，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(huì )犧牲電池壽命，還可與大多數現有的手持式現場(chǎng)設備配合使用，以支持現場(chǎng)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(shù)可以將消息從一臺儀表傳遞到另一臺儀表，或通過(guò)中繼器實(shí)現長(cháng)距離傳輸或避免網(wǎng)絡(luò )中斷。該網(wǎng)絡(luò )的短距離和低帶寬可延長(cháng)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(wú)需任何形式的外部接線(xiàn)。還可以通過(guò)添加適配器將任何啟用了HART協(xié)議的儀表，轉換為WirelessHART（圖2）。
圖2：可以直接安裝WirelessHART儀表，也可配置有線(xiàn)HART到無(wú)線(xiàn)轉換的適配器。
不斷擴展的無(wú)線(xiàn)應用
為過(guò)程儀表應用開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)協(xié)議并通過(guò)所有認證程序，是一項耗時(shí)且費錢(qián)的工作。在進(jìn)入工業(yè)儀表領(lǐng)域之前，開(kāi)發(fā)人員通常會(huì )考察其它可能的應用。
一些較復雜的過(guò)程分析儀可能會(huì )產(chǎn)生大量數據，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）涌現的技術(shù)，例如LoRaWAN，正被作為連接工業(yè)、建筑自動(dòng)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(wǎng)絡(luò )架構是以星型拓撲結構部署的，其中網(wǎng)關(guān)在終端設備和中央網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器之間中繼消息。網(wǎng)關(guān)通過(guò)標準IP連接到網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，并充當透明網(wǎng)橋，只是將RF數據包轉換為IP數據包，反之亦然。無(wú)線(xiàn)通信充分利用LoRa物理層的遠程特性，在終端設備和一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行單點(diǎn)鏈接。所有模式都可以實(shí)現雙向通信，并且支持多信道尋址，以在執行諸如固件無(wú)線(xiàn)升級或其它批量發(fā)布消息之類(lèi)的任務(wù)時(shí)，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(chēng)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(jià)的，即使信息更新時(shí)間間隔為1小時(shí)，承諾的壽命也只有4年。更新間隔較長(cháng)，使其只能監視變化非常緩慢的過(guò)程變量。
走進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的5G
現在，5G正在走向工業(yè)領(lǐng)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(dòng)寬帶（eMBB）應用上，與針對虛擬現實(shí)媒體和超高清視頻的4G相比有了重大改進(jìn)。eMBB支持高達20 Gbps的數據速率，其流量是4G系統的10,000倍。而5G的另外兩個(gè)領(lǐng)域引起了工業(yè)用戶(hù)的關(guān)注：
1.超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)，可以為時(shí)延要求特別高的關(guān)鍵系統，如自動(dòng)駕駛汽車(chē)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(lèi)通信（mMTC）技術(shù)，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(hù)公司都期待著(zhù)WirelessHART等工業(yè)協(xié)議與5G以及可能的其他無(wú)線(xiàn)協(xié)議的共存，以改變全球工業(yè)的未來(lái)。
