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1 概述
無線技術持續快速發展。今天已經有一系列各式各樣的無線技術可供選擇， 從藍牙技術到Wi－Fi 到自組織網絡、衛星、蜂窩技術，等等，不一而足。
然而，能夠適合于過程自動化信息通信的無線技術，僅有幾種而已。 在對無線技術應用的要求中，安全性和可靠性尤為突出，而且，大多數工廠的“鋼鐵之谷”都會帶來在辦公和居住環境下少見的挑戰。 同時，網絡的升級和成本也是其中需要著重考慮的方面。
即使在過程工業范圍內，不同的應用具有不同的要求，例如在發射范圍、輸出量和能源效率方面，這就要求有不同的無線技術來滿足這些要求。 也就是說，技術是否正確，部分取決于應用。
2 距離范圍和處理能力
為了幫助理解哪種無線技術最適合于不同的應用，我們從每種技術的相對距離范圍和數據吞吐量方面加以探討。
距離范圍。 每種短程技術的無線通信鏈路都大致在100米或低于100米的范圍之內。 有些短程技術可以通過多種鏈接的使用來覆蓋更長的距離范圍。 通過將短程無線技術和其他的有線或無線技術結合使用，總發送距離也可以達到延長的目的。
數據吞吐量。數據吞吐量類似于數據頻率的概念，但是通常不包括通信協議中使用的“附加”位。數據吞吐量是一個很好的工具，可以用來判斷無線網絡的真實性能和工作效率——當然吞吐量越大越好。
不管您期望短覆蓋范圍高數據率，還是長覆蓋范圍低數據率，還是中間的某一種狀態，大概您都能找到一種方案來滿足要求。
2.1 常見的無線技術
紅外線
紅外線（IR）技術不是新事物。 事實上， 您可能每天都在使用它——大多數的遙控器都使用這種技術，例如電視、VCR、VCD 播放器等等。
與其他無線技術不同，紅外線技術利用光射線來傳送數據。 這種單向的信號傳輸距離非常之短，大致會少于25英尺，并且要求在發送器和接收器之間目視可見。 紅外線不能穿透墻壁或其他實體障礙。
紅外線的傳輸速度相對較慢。例如， 雖然許多電腦和打印機有紅外連接以便可以無線打印，仍然很少有人喜歡這種方法，因為比起有線連接來它實在是太慢了。
數據傳輸速度太低，要求視線連接，發射范圍有限，對于大多數的過程自動化通信而言，這些都是紅外技術顯而易見的缺點。
藍牙技術
藍牙技術用于體型較小、便宜、短程的無線收發設備，例如電話、耳機、個人電腦、個人數字助理（PDA）等等。當藍牙設備處于另外一臺同樣設備的覆蓋范圍之內的時候，它們就可以在個人局域網絡（PAN）或 piconet 內自動地進行電子通信以分享數據。
每個藍牙個人域網絡都可以容納最多8臺設備，每個設備都可以同時屬于幾個個人域網絡。 隨著藍牙設備進入和離開覆蓋的范圍，個人域網絡可以自動地、動態地實現。
藍牙通信工作于ISM頻段內的2.4GHz， 支持高達721Kbps的數據發送速度。 雖然藍牙技術規范在設備功率足夠大的時候允許高達100米的通信范圍，但是較常見的范圍都在1～10米以內。
藍牙技術的優點在于它的無線、自動和便宜的特點，所以它很適用于辦公室應用。 但是它有限的覆蓋范圍和較低的可靠性決定了它很難用于工業自動化用途。
ZigBee 技術
ZigBee 是一種通信協議，設計用于小型、低價、省電的數字無線設備的低數據率應用，例如建筑自動化，醫療設備和嵌入式傳感器等等。
ZigBee 技術用于建筑和辦公自動化領域十分理想，但在過程自動化應用方面仍有缺陷。
頻率 ZigBee對每一個網絡只使用一個單一的頻道。在每一臺設備的安裝之前，都要求進行現場評估，以便確定一個暢通無礙的頻道。 頻率單一意味著頻道阻塞或其他干擾會癱瘓整個網絡。 唯一避免干擾的方法是重新勘測現場，然后重新為設備設定程序以利用其他不同的可用頻道。
功率 雖然有些ZigBee設備可以使用一塊堿性電池支撐一到兩年的時間，實際的網絡耗電要求卻復雜得多。這是因為ZigBee網絡應用兩種類型的設備：精簡功能設備和全功能設備。
· 精簡功能設備是一種低功率發送接受網絡節點，但是它能同全功能設備進行“對話”。
· 全功能設備在網絡中起到路由器的作用，功耗也不低。 通常這種設備由有線電源供電，所以放置的地點限于電源方便的地方。 雖然ZigBee允許全功能設備用電池供電，但是電池壽命并未經實踐考驗，可能僅可維持數月。
在工業場合要增加一個新設備來擴展ZigBee網絡更加困難，這是因為全功能設備的位置（和可用功率）需要十分仔細地加以謀劃， 以便為附加的精簡功能設備提供支持。
自組織網絡
同樣基于IEEE 802.15.4協議，自組織網絡對他們的組態和通信進行動態管理，以保證信息可以有效可靠地抵達目的地。
每臺網絡中的設備都同時作為相鄰設備的路由器，所以假若由于距離和障礙的原因一臺設備不能 同網關進行通信，那么它的信號將由一臺或多臺無線設備通過到主機系統的開放通路進行傳送。這就大大地提高了網絡的可靠性。
由于信號可以通過設備－設備－設備的路徑（稱作“多跳頻”）進行傳遞，所以在信號源到目的地之間不要求有視線路徑，所以也就沒有費用昂貴的場地勘測或評估的必要了。
多跳頻技術還可以克服自組織網絡中低功率設備的發射范圍有限的缺點。自組織網絡中的信號用不著“一路呼嘯”著從信號源發射到目的站，只需“靜悄悄”地從設備發射到設備直到一路傳遞到網關即可。
同ZigBee技術也不同， 自組織網絡中的所有設備均可作為其他設備的路由器（或“全功能”設備），因此擴展容易。新的授權設備可以被自動識別并添加到網絡中。有些供應商還隨著自組織網絡技術方案同時提供先進的電源管理和安全功能措施。
自組織網絡有了這些能力， 便成為許多工廠內過程自動化應用的可靠選擇。
Wi-Fi 技術
Wi-Fi 技術廣泛應用于為辦公室、家庭和其他公共網絡“熱點”，提供無線連接。
Wi-Fi技術建立在無線局域網的標準家族IEEE802.11之上。 事實上， Wi-Fi和802.11這兩個術語經常互換使用。 Wi-Fi 的不同版本，例如802.11a, 802.11b 和802.11g 可以提供不同的范圍、速度和成本組合。
有些Wi-Fi 設備可以以接近于有線連接的速度來傳輸數據，傳輸的距離通常為大約100米。取決于設備和條件的不同，傳輸距離可以更大。 同其他無線信號相比， Wi-Fi 信號可以根據材料的密度和信號強度的不同，穿越墻壁和其他的實體物理障礙。
由于Wi-Fi技術基于開放式標準，鼓勵設備到平臺之間的互操作性，所以在市場上也越來越流行。而 眾多Wi-Fi 開發商和制造商之間的競爭，使得耐用、易用而廉價的產品大量出現。
最后，Wi-Fi技術還作出了巨大的努力，來推出保護信號傳輸的安全措施（例如加密技術）。
在過程工業應用中，Wi-Fi技術用于覆蓋低功率短距離設備之間的距離十分理想，這些設備常用于無線現場網絡、控制室或其他的數據收集點， 例如您可以利用Wi-Fi 將來自于自組織網絡的網關的數據整合到主機系統中去，如DCS，PLC，或歷史數據記錄器等等。
Wi-Fi還可以用于為移動狀態的工作人員提供訪問過程控制網絡的途徑，包括關鍵過程信息、歷史數據、圖形和其他的關鍵功能，等等。
射頻識別技術（RUID）
RFID使用一種利用獨特的信息進行電子編程的小型射頻應答器（稱為射頻標簽）。然后這個數據可以從一定距離之外進行閱讀。這種技術的一個常見的應用是“收費電子標簽”，這種標簽允許司機無需每次停車繳費即可通過收費點；還可以應用于庫存跟蹤應用。 有些標簽甚至可以更新，例如當產品離開裝配線的時候進行的標簽更新。
RFID可能在跟蹤工廠設備或大量產品方面十分有用。 但是您不可能為管道中流動的東西來加上標簽。 而且，由于FRID信息是靜態的，必須經過編程變成標簽形式，所以不能用于經常變化的測量或診斷數據。
實時定位服務（RTLS）
實時定位服務（RTLS）將位置跟蹤功能同已有的802.11(Wi-Fi)無線網絡結合起來，實現對移動工作人員、工廠設備和其它有價值的資源進行定位。
實時定位服務系統可以進行實時位置的圖形顯示，對象包括無線設備、筆記本電腦、PDA，或任何其他攜帶有RTLS Wi-Fi 標簽的人或物品。 系統可以根據當前的標簽位置來更新數據庫，更新頻率可以高達數秒每次，也可以對那些甚少移動的物體每數小時一次。 更新頻率可以影響到配置標簽的數量和電池壽命。典型的應用系統可以同時跟蹤多達數千個標簽，平均標簽電池壽命可以達到5年或更長。
RTLS 具有相當的潛在應用價值。 例如帶有RTLS標簽的設備在安裝或周轉期間可以更容易地被發現位置。 處于移動狀態的工作人員也可以很快進行定位，有利于進行更有效的工作安排，或作為應急響應系統的一部分。
2.2 長距離無線技術
全球微波接入互操作性（WiMax）
WiMax 是Worldwide interoperability for Microwave Access (全球微波接入互操作性)的縮寫，設計用于城市大小的區域內的無線網絡。 它可以將Wi-Fi熱點相互之間以及同因特網之間進行連接，為硬線電纜或DSL提供一種替代方法，支持家庭或企業和網絡訪問點之間“最后一哩”的連接。
基于城域網（MANs）的IEEE 802.16規范，WiMax 使用的頻率在從2～11GHz的范圍之間，提供高數據吞吐量（高達75Mbps）。低頻傳輸不易被物理障礙打斷，而且如果功率合適，覆蓋范圍可以延長到50公里（30英里）。
在過程工業中，這種新興技術可能比較適合于長距離鏈接并提供無線網絡的主干和整個工廠范圍內的數據訪問。
大功率900MHz無線信號
無線通信已經廣泛用于油氣工業領域。因為在這些領域內，為許多偏僻地區提供硬線通信連接難于操作且費用高昂。
大功率900MHz無線信號在適應SCADA（監控與數據采集系統）的遠距離（10～20英里）和相對較窄的帶寬方面有著比較長久和成功的歷史記錄。這種狀況一時之間難以改變。
然而需要改變的是這些通信應用中的數據類型。特別是，隨著有些領域的技術開始成熟，企業可以利用設備的診斷和其他信息來提高他們的生產設備的生產能力。 由于在這些應用中的I/O接口數量較少，額外的數據不應對900MHz頻帶在帶寬方面的局限性帶來較大的挑戰。
蜂窩技術
當我們在網絡“蜂房”中旅行時， 蜂窩技術將我們的電話自動地從一個發射塔傳遞到另外一個發射塔，從而完成移動通信。
蜂窩設備供應商們通過增加網絡發射塔和其他的基礎設施來支持移動電話人數的快速增加。其結果是，最后即使在許多偏遠的地區也被蜂窩網絡覆蓋，并提供了同其他電信網絡的良好連接。
這就使得蜂窩技術成為一個從遙遠地區進行過程自動化數據收集的不錯的選擇。這種方法比起派人工進行手動數據收集來說，可要劃算多了。
然而，蜂窩技術之間仍有不同，其中一些要比另外一些更加適合與過程工業的應用。例如，全球移動通信系統（GSM）應用廣泛，它的通用分組無線業務（GPRS）也是無線數據傳輸的良好選擇。 GPRS是通過將數字數據包裹在GSM移動電話的數字化語音信號之上分層進行發送的。
GSM/GPRS是全球大多數地區包括歐洲、亞洲和非洲都使用的蜂窩技術。在全球范圍內，大約今天有70％或以上的移動電話用戶使用的是GSM/GPRS技術。 這些網絡利用TDMA(時分多址)，通過交互頻率和預定時隙來傳輸數字語音和數據。
在美國以及美洲某些其他國家里，CDMA(碼分多址)作為一種富有競爭力的蜂窩技術而被采用。同TDMA相反，CDMA技術將加密的語音和數據在同一時間內通過整個指定的頻譜進行發送。
衛星用于對地理上分布較遠的資產進行監控的另外一項選擇，是衛星技術。 然而對許多應用來說，衛星技術和蜂窩技術相比有很大的缺點。 例如，衛星數據傳輸比蜂窩方式傳輸費用要昂貴得多。 衛星信號收發裝置同競爭性技術，例如移動電話相比，由于他們的信號必須被傳送到地球軌道上的衛星，所以體型要較大一些，要求的功率也較大。 而且由于衛星通信技術未被廣泛采用，所以它不能提供同蜂窩技術一樣的規模經濟。
衛星技術缺乏標準，這就增加了同其他系統或相同技術的未來版本整合上的技術風險。
總體而言， 衛星通信應留給專門的窄帶應用， 例如海上油氣平臺、海事操作，以及地理上孤立、蜂窩網絡難以覆蓋的地區的移動資產追蹤，等等。
2.3 評估標準
雖然您已經看到有些無線技術并不適用于過程自動化的應用，但是也有些可以。那么到底您應該選擇哪一種呢？
答案是：“看具體情況而定”。 沒有一種技術可以滿足所有的應用。而且，您應該為您的特定的應用制定可以成功的標準，然后對每種技術的能力進行評估，使之達到您的標準。
下面是您在評估中需要考濾的一些問題：
哪種無線技術最適合于整合到我的主機系統或數據管理系統？
無線設備之間的最大距離是多少？
我需要哪種層次的安全措施？
多高的數據吞吐量水平是必需的？
網絡可靠性有多重要？
有可用的網絡電源嗎？ 如果沒有，我需要多長時間更換一次電池呢？
工廠內有哪些種類的障礙和干擾？
工廠里還支持和使用哪些其他無線技術？
要采用的無線技術可以同現有的儀表設備和裝置，例如現有的HART儀表很好地協調工作嗎？
無線網絡的擴展和保持技術方便嗎？
有開放式標準和具有豐富專業知識的設備供應商來支持這項技術嗎？
這對我的應用是最劃算的技術嗎？
2.4 在過程自動化領域大有前途的技術
雖然無線技術方案例如大功率900-MHz 無線信號已經在油氣行業應用多年，一些更新的無線技術仍然有希望在這一類過程工業中繼續取得進展。
自組織網絡對低成本工廠內部監控以及獲取來自于智能設備的診斷信息而言是一個理想的選擇。這些網絡在計劃、安裝以及擴展方面非常容易，具有內在的可靠性而且升級能力較高。
Wi-Fi 技術可以將來自于工廠內的低功率、短距離的無線設備的數據傳輸到中央數據收集點，并允許移動工作人員獲取工廠信息。這種設計完善、基于標準的技術可靠、耐用而且價格適中。
蜂窩技術－特指GSM/GPRS技術－對于遠離工廠的數據來源等應用，例如監測遠距離意外的儲存罐內的庫存等，是一個很好的技術方案。 這種通信方式的基礎設施早已就位。
Wi-Max 可以適用于遠距離通信鏈路并可以提供整個工廠內的無線網絡主干和數據訪問。 RTLS可以連續跟蹤工作人員和設備的位置，在提供更有效的維護、操作以及改善安全方面頗具潛力。
3 總結
雖然如今的市場上各種無線技術豐富多彩， 它們的能力卻是千差萬別的。 對于過程自動化應用而言，有些技術比其他 技術更加適用，但是沒有哪種單獨的技術方案可以適合于各種情況。所以，要選擇哪種技術需要您自己來決定，根據標準哪種技術可以在應用中獲得成功，那就是正確的技術。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號