在進(jìn)行技術(shù)評(píng)估時(shí)，工程師必須比較、權(quán)衡各種因素，例如科里奧利流量計(jì)與超聲波流量計(jì)在特定應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，是該使用有線通信還是使用無線通信，或者是使用哪種無線協(xié)議最適合。進(jìn)行這種類型的比較時(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)無線協(xié)議更復(fù)雜的情況。
從市面上眾多的工業(yè)無線協(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：無線功能需要電源，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(shù)據(jù)（例如一個(gè)過程變量）更易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；增加帶寬會(huì)增加功耗。
●更新頻率：設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)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，但是可以通過有效的天線設(shè)計(jì)和布置來優(yōu)化。
●雙向性：如果僅傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備設(shè)計(jì)相對(duì)就比較簡單，耗電也更少，但可實(shí)現(xiàn)的功能也受到限制；
●可靠性：關(guān)鍵數(shù)據(jù)需要一種帶回執(zhí)驗(yàn)證的傳輸機(jī)制?；蛘咚仨氃俅伟l(fā)送數(shù)據(jù)，直到成功為止。
●安全性：只有預(yù)期的接收者才能理解數(shù)據(jù)。
如果工業(yè)無線設(shè)備位置固定，會(huì)使操作變得更復(fù)雜。通信兩端都固定在適當(dāng)位置，也就無法在建筑物周邊移動(dòng)以更好地接收信號(hào)。
工業(yè)無線應(yīng)用的平衡點(diǎn)
讓我們考慮功能的兩個(gè)極端應(yīng)用：智能手機(jī)和水表報(bào)告設(shè)備。智能手機(jī)具有能夠想到的所有功能：雙向通訊、具有多個(gè)無線通道并可以處理大量數(shù)據(jù)，但可靠性較低。會(huì)有呼叫丟失、下載文件失敗的可能。由用戶決定是否再試一次。因此智能手機(jī)的電池壽命也相對(duì)較短。
水表報(bào)告設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)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(tǒng)錯(cuò)過了傳輸，第二天可以重新發(fā)送。
工業(yè)無線應(yīng)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，WirelessHART（已被國際電工委員會(huì)批準(zhǔn)成為IEC 62591）一直作為過程儀表、執(zhí)行器和其他先進(jìn)現(xiàn)場設(shè)備的最廣泛部署的無線協(xié)議服務(wù)于工業(yè)用戶（圖1）。它優(yōu)化了針對(duì)特定和關(guān)鍵應(yīng)用的折衷方案，是一種安全、多供應(yīng)商、可互操作的無線標(biāo)準(zhǔn)，旨在為過程監(jiān)控和自動(dòng)化應(yīng)用提供高可靠、低延遲的連接。
圖1：WirelessHART完全是為支持現(xiàn)場儀表而設(shè)計(jì)的。本文圖片來源：艾默生
WirelessHART使用IEEE 802.15.4無線電技術(shù)，該技術(shù)具有確定性的調(diào)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(xiàn)可靠、確定的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)更新周期為30秒時(shí)，WirelessHART儀表電池的預(yù)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(shù)現(xiàn)有的手持式現(xiàn)場設(shè)備配合使用，以支持現(xiàn)場校準(zhǔn)和診斷。
它傳輸范圍相對(duì)較短，但是其自組織網(wǎng)狀技術(shù)可以將消息從一臺(tái)儀表傳遞到另一臺(tái)儀表，或通過中繼器實(shí)現(xiàn)長距離傳輸或避免網(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，無需任何形式的外部接線。還可以通過添加適配器將任何啟用了HART協(xié)議的儀表，轉(zhuǎn)換為WirelessHART（圖2）。
圖2：可以直接安裝WirelessHART儀表，也可配置有線HART到無線轉(zhuǎn)換的適配器。
不斷擴(kuò)展的無線應(yīng)用
為過程儀表應(yīng)用開發(fā)無線協(xié)議并通過所有認(rèn)證程序，是一項(xiàng)耗時(shí)且費(fèi)錢的工作。在進(jìn)入工業(yè)儀表領(lǐng)域之前，開發(fā)人員通常會(huì)考察其它可能的應(yīng)用。
一些較復(fù)雜的過程分析儀可能會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(yīng)用中推廣。
根據(jù)LoRa聯(lián)盟對(duì)該協(xié)議的描述，LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署的，其中網(wǎng)關(guān)在終端設(shè)備和中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間中繼消息。網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并充當(dāng)透明網(wǎng)橋，只是將RF數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，反之亦然。無線通信充分利用LoRa物理層的遠(yuǎn)程特性，在終端設(shè)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(xiàn)雙向通信，并且支持多信道尋址，以在執(zhí)行諸如固件無線升級(jí)或其它批量發(fā)布消息之類的任務(wù)時(shí)，提供支持以便有效利用頻譜。
一些工業(yè)級(jí)的LoRaWAN設(shè)備已經(jīng)上市，宣稱其產(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，使其只能監(jiān)視變化非常緩慢的過程變量。
走進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的5G
現(xiàn)在，5G正在走向工業(yè)領(lǐng)域。大多數(shù)討論都集中在針對(duì)智能手機(jī)和平板電腦的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）應(yīng)用上，與針對(duì)虛擬現(xiàn)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(dá)20 Gbps的數(shù)據(jù)速率，其流量是4G系統(tǒng)的10,000倍。而5G的另外兩個(gè)領(lǐng)域引起了工業(yè)用戶的關(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(tǒng)，如自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器控制提供支持。URLLC提供的傳輸延遲小于1毫秒，數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Mbps。
2.海量機(jī)器類通信（mMTC）技術(shù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100kbps的機(jī)器對(duì)機(jī)器通信。mMTC應(yīng)用包括市政計(jì)量和智慧城市部署等，在這些應(yīng)用中，可以接受極低的數(shù)據(jù)速率（比如每天一次或更少）和高延遲。
許多設(shè)備供應(yīng)商和終端用戶公司都期待著WirelessHART等工業(yè)協(xié)議與5G以及可能的其他無線協(xié)議的共存，以改變?nèi)蚬I(yè)的未來。
