(海思自動化技術(shù)部LonWorks技術(shù)粉絲提供)
【核心提示】本文主要介紹了433M和2.4G兩種主流的微功耗無線通信模塊在距離、通訊速率、組網(wǎng)性能等方面進(jìn)行技術(shù)對比，分析各個模塊性能的優(yōu)缺點，并根據(jù)各自的特點，介紹各自的一些典型應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】無線通信，LonWorks，網(wǎng)關(guān)，協(xié)議轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用，微功耗，ZigBee，433M
一、引言
微功耗無線通信特指國家免申請頻段，發(fā)射功率受限制的無線通信頻段。隨著微功耗無線技術(shù)的發(fā)展，在很多自動控制領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了微功耗無線通信技術(shù)，克服了有線通信布線施工復(fù)雜、成本高、通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和維護(hù)升級成本高等缺點，微功耗無線通信技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到我們的生活中。
二、無線通信技術(shù)
法拉第提出電磁感應(yīng)學(xué)說，電可以產(chǎn)生磁，磁也可以產(chǎn)生電，相互可以轉(zhuǎn)換。無線通信的本質(zhì)是信號在無線信道的傳送，也就是說空中接口技術(shù)，這就涉及如何編解碼和克服干擾的問題,以及無線通信信息傳送效率。
1、433M無線通信技術(shù)
目前國內(nèi)433M無線通信通訊的原理是一樣的，都是GFSK調(diào)頻技術(shù)，這里433M指的是該頻段，不同廠家的模塊，頻率會有稍微的區(qū)別，無線接收部分有一個窄帶濾波器，頻率差一般超過200K，就不在一個信道，模塊之間是不會出現(xiàn)干擾的情況，433M的波長為69.3cm，按照天線最短是波長的1/4反射最小，該頻段的天線為17cm長，該頻段波長比較長，繞射能力比較強(qiáng)。
數(shù)字化通信對電源的要求較高，電源紋波越小，接收靈敏度會提高，可以接收到更加微弱的磁場信號。
一般載波信號頻率要大于調(diào)制波信號頻率很多倍，否則引起信號的混疊，目前在頻段下芯片設(shè)計最大通訊速率為250K，該芯片基于GFSK調(diào)頻技術(shù)，當(dāng)信號源的頻率越高，傳輸?shù)木嚯x會降低，即空中波特率越低傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。該頻段的通訊速率一般在9.6K~19.2K附近使用的比較廣泛，載波頻率低決定了數(shù)據(jù)傳輸速度慢，如果進(jìn)行組網(wǎng)，會消耗一定的帶寬。
2、2.4G無線通信技術(shù)
2.4G是指載波頻率，也是免申請的頻段。在該頻段集成了802.11的協(xié)議，這是一個高速對低速的協(xié)議，他去協(xié)調(diào)各模塊之間的收發(fā)同步，在任意一個時刻，只會存在收或者發(fā)數(shù)據(jù)一種狀態(tài)，空中傳輸速率快，接口速率慢，數(shù)據(jù)的容錯和抗干擾能力是比較強(qiáng)的，編程人員不需要考慮在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候別的設(shè)備是否正在處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，全部交由802.11協(xié)議去協(xié)調(diào)。
2.4G在工業(yè)控制中集成了Zigbee通訊協(xié)議，該模塊的載波頻率較高，繞射能力比較差，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房間，通訊距離比433M的要差一些，成本一般是433M無線模塊的3~4倍。
三、433M無線模塊的典型應(yīng)用
1、基于433M無線模塊的抽油機(jī)工況數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
下圖是用于大慶油田和克拉瑪依等油田的抽油機(jī)全無線工況采集系統(tǒng)，采用的是433M無線模塊進(jìn)行通訊，圖中SM801是433M無線模塊，無線位移傳感器，我們稱之為中心傳感器，起到中繼作用，他處于抽油機(jī)的梁上，大約有6米高，信號非常好，他負(fù)責(zé)采集載荷傳感器、溫度傳感器和電量模塊數(shù)據(jù)，RTU最多可以攜帶32個中心傳感器，采集的數(shù)據(jù)會定時通過SCDMA傳到數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了油田的無線數(shù)字化傳感器網(wǎng)絡(luò)。
上圖是RTU控制箱，主要是采集各抽油機(jī)中心傳感器的數(shù)據(jù)，通過SCDMA集中傳輸?shù)街锌厥遥梢杂行У臏p少SCDMA的數(shù)量，節(jié)約了成本。
上圖為無線載荷傳感器，主要采集的是抽油機(jī)抽油桿的載荷數(shù)據(jù)，通過太陽能給蓄電池充電，發(fā)送數(shù)據(jù)給中心傳感器。
在上位機(jī)上能夠顯示出抽油機(jī)桿位移和載荷傳感器的拉力變化的一張圖，我們稱之為功圖，這張圖可以清晰的分析出當(dāng)前抽油機(jī)工況，還可以根據(jù)該圖測算出一天采了多少油，我們稱之為功圖量油。
2、長慶油田抽油機(jī)方案
下圖是長慶油田全無線方案，該方案中需要實現(xiàn)電量、位移、載荷上傳和抽油器啟停的控制，位移和載荷全部是模擬量，采集器帶有8路模擬量接口，內(nèi)部自帶電力采集接口，RTU通過無線可以采集多個采集器，通過以太網(wǎng)上傳到控制中心。
四、2.4G無線模塊的典型應(yīng)用
1、基于Xbee的無線液化氣灌裝系統(tǒng)
下圖是我們設(shè)計的2.4G的無線稱重系統(tǒng)，主要應(yīng)用在液化氣自動灌裝場所，Xbee無線模塊是通過了美國的FCC認(rèn)證、加拿大的IC認(rèn)真和歐洲的CE認(rèn)證，其無線設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用在煤礦、油田、化工等危險操作區(qū)域，在數(shù)據(jù)通訊的安全性方面有保證，在該項目中，SM46D是無線稱重系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實時的上報稱重重量給無線稱重控制儀，無線稱重儀是控制終端，當(dāng)重量達(dá)到設(shè)定的值，就切斷對應(yīng)的加氣設(shè)備，操作人員在安全區(qū)域控制液化氣的灌裝過程。
2、基于Xbee的無線油罐稱重系統(tǒng)
該項目是用于大慶的油罐稱重，稱重系統(tǒng)采用四角稱重，通過校正四角誤差，485通訊到防爆控制柜，然后通過Xbee發(fā)送到值班室，如果有人偷油，值班室電腦會報警，另外還有一個CDMA接口，可以上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。
現(xiàn)場每個油罐下面各安放兩個底座，每個底座上分別安裝兩個傳感器，底座上的兩個傳感器距離為油罐底部工字鋼之間的距離
3、基于433M或ZigBee的串口轉(zhuǎn)LonWorks智能網(wǎng)關(guān)
樓宇自控、能源監(jiān)管系統(tǒng)及工業(yè)自動化系統(tǒng)等現(xiàn)場總線廣泛采用LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建，在一些不方便布線或通訊距離超出LonWorks雙絞線傳輸距離等施工現(xiàn)場，采用無線通訊技術(shù)建立通訊鏈路，是有效的接入方式。
南京海思自動化系統(tǒng)有限公司(官方網(wǎng)址：http://m.jteh.cn)自主研發(fā)的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的iGate 135、iGate145型可編程LonWorks無線網(wǎng)關(guān)，可以滿足433M或ZigBee無線通訊模式設(shè)備接入LonWorks網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能，內(nèi)部自帶時鐘和鐵電存儲器。iGate 135/145型LonWorks無線網(wǎng)關(guān)以其設(shè)計的先進(jìn)性、多功能性、智能化和維護(hù)便捷性，完全滿足智能建筑工程和企事業(yè)單位能源管理系統(tǒng)工程現(xiàn)場的技術(shù)需求。
主要功能及特點
l 基于國際先進(jìn)的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展方便、互操作性好；
l 1路串口支持433M或ZigBee無線通訊模式，并提供1路RS232、1路光電隔離RS485接口，支持有線串口通訊，可在線編程；
l LonWorks雙絞線接口采用Neuron FT5000芯片,支持多達(dá)254個網(wǎng)絡(luò)變量；
l 提供LonWorks雙絞線多種收發(fā)器接口類型，通訊速率為78kbps或1.25Mbps；
lAC220V供電，具有過電壓保護(hù)功能 。
