无线通讯技术在工业自动化中的应用及发展

吴志远 张舸帆 张前咨

摘  要： 随着我国无线通讯技术的蓬勃发展，其应用已经涉及到生活的各个方面。在目前，网络化和智能化已经成为工业自动化的主要研究方向，工业系统的综合集成度也需要不断提高，这一切的实现都需要更佳的无线通讯技术进行支撑。由于工业自动化应用场景的多样性，我 们不能对无线通讯技术的业务应用一概而论。不同的无线通讯技术，其特点也往往不同，实际应用时，我们要结合工作场景和业务需求综合考量。本文将对当前工业自动化中常用的无线通讯技术进行分析，并结合以NB-IOT、LoRa为代表的当前新兴无线通讯技术，探究未来的发展趋势。

关键词： 无线通讯技术;工业自动化;应用;发展

中图分类号： TP91    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.043

本文著录格式：吴志远，张舸帆，张前咨. 无线通讯技术在工业自动化中的应用及发展[J]. 软件，2019，40（9）：188-191

A Study on the Application and Development of Wireless Communication Technologies in Industrial Automation

WU Zhi-yuan， ZHANG Ge-fan， ZHANG Qian-zi

（School of Information Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013）

【Abstract】： Wireless communication technologies have been applied in all aspects of our life due to their vigorous development. At present， network and intelligence have become the main research directions of industrial automation， and thus it is necessary for industrial systems to be more integrated in a comprehensive and continuous manner. This requires that better wireless communication technologies provide support. Due to the diversity of application scenarios of industrial automation， it is unpractical to lump the business applications of wireless communication technologies. Different wireless communication technologies often have different characteristics， and therefore we shall take work scenarios and business need into consideration to determine a specific technology in practice. In this paper， common wireless communication technologies in industrial automation are analyzed， and future development trends are explored by combining the current emerging wireless communication technologies represented by NB-IOT and LoRa.

【Key words】： Wireless communication technologies; Industrial automation; Application; Development

0  引言

中國智造的加速实施使我国工业自动化设备的市场需求不断增大，而且在未来的一段时期内我国对工业自动化系统的需求都将保持较高的增长率。在国家政策的大力支持和长期的技术积累下，现阶段我国的电子信息产业快速发展，为工业自动化进程的推进提供了强有力的支持。在当前的信息时代背景下，无线网络的应用范围越来越广。其自身具

有采用无线电波传输的优势，从而可以在一些工业环境复杂的情况下便利的实现数据传输，使得自动化系统有效进行^[1]。无线通讯技术发展带来的技术支持和工业自动化不断升级带来的客观需要，将使得无线通讯技术与各种自动化设备的合作日益密切，使得工业通信技术得到改革与创新。

1  无线通讯技术在工业自动化中的应用

与有线通信技术相比，无线通讯具有移动性。只要处于通信区域内，终端可以任意移动或布置。组网快速灵活、覆盖面积广、扩展能力强的特点使得无线通讯技术在工业自动化中有着广泛的应用。

1.1  无线短程网

无线短程网可以利用短距离、小型的无线网络在低功耗、低成本的应用环境要求下提供通信服务，其中最具代表性的是蓝牙、ZigBee、UWB技术、NFC和红外技术。在当前的工业自动化领域中，无线短程网是应用最广泛的通信技术之一。在工业场景中，现场传感器和其他设备可以作为无线传感器控制网络相互连接，将其作为内部数据收集管理的工具。可以满足大部分工厂所需要的生产与管理信息服务。将无线短程网应用于工业环境，可以提高工业系统的自治能力和可靠性。

无线短程网在实际应用中主要有三大优点： （1）数据传输快。无线短程网可以向固定带宽的用户提供专门的数据信息，这种传输方式使拥挤情况大大减少，进而保证通信的效率和速度^[2]。（2）网络功能强。一个无线短程网最高可以容納数万个从设备和一个主设备。而且从网络结构来看，多个无线短程网络可以同时存在于同一个区域中。（3）运行功耗低。一般情况下，无线短程网工作于休眠状态。当信息来临时进行响应，相对工作时间短，从而最大程度地降低消耗功率，提高工作效率。而且由于网络区域范围的限制，传输中的障碍相对较少，传输功率普遍较低。

1.2 无线局域网

无线局域网利用无线技术在空中传输数据、语音和视频信号，比无线短程网的传输距离更远，在工业自动化领域中很受欢迎。无线局域网由站、无线介质、无线接入点、分布式系统组成，组网模式包括自组织无线局域网和基础设施无线局域网。自组无线局域网拓扑结构如图1所示，基础设施无线局域网拓扑结构如图2所示。

在自组无线局域网中，无线节点具有平等的通信关系。发送节点与接收节点直接通信，不需要经过中心节点的转发，而且可以在需要时临时组成。在基础设施无线局域网中，无线接入点是中心节点，节点之间的通信必须经过无线接入点的中转实现。基础设施无线局域网络的安全性和可靠性比较容易控制，是工业自动化中最常见的无线网络组网模式。

当前无线局域网领域使用最广的技术标准为IEEE802.11，在工业环境中，工业设备通过隔离型信号转换器将串口信号和网络信号相互转换。转换后的信号要符合无线通信标准，以支持相应的通信协议。通过这种方式，可以有效扩展工业环境中各种设备的网络通信能力^[3]。采用无线局域网组建的工业自动化通信网络有以下三大优势：（1）安装便捷。无线局域网可以消除或减少工业布线的工作量。在一般情况下，一个大容量的接入点设备就可以提供覆盖一定地区的本地网络。（2）方便扩展。无线局域网的配置多种多样，实际应用时可以根据节点的数量进行选择。而且配置之间便于改造升级，只覆盖少量节点的网络可以迅速扩展为包括上千节点的大局域网。（3）便于故障的定位及维护。在实际工业应用中，有线网络的物理故障往往很难发现具体问题点，而且维护难度很大。但无线局域网对故障的定位能力很强，连接的恢复常常通过更换设备故障就可做到。

2  工业自动化中无线通讯技术的发展

工业自动化的发展和升级会对工业现场的数据传输提出更高的要求，原先适用的无线通讯技术由于工业设备的增加和数据量的猛增，其性能特点已经越来越难以满足需要。而在当前的物联网中，新兴的低功耗广域网无线通讯技术正蓬勃发展，它所具有的广覆盖、大连接、低成本的特点可以很好的满足工业自动化的需要。其在工业自动化的监测和采集方面已经取得很好的应用，为未来工业自动化中的无线通讯技术的发展提供了方向。

2.1 NB-IOT技术

NB-IOT是低功耗广域网中工作于授权频谱下的一种无线通讯技术，它只需要少量的带宽，可以直接部署到现有的成熟网络。这使得它的部署成本很低，升级易于平稳实现。NB-IOT的部署方式包括三种，分别为保护带部署、独立部署、带内部署，不同的部署方式都可以和现有的网络互相连通^[4]。NB-IOT的网络结构包括终端、无线网侧、核心网、平台、应用服务器五部分。终端通过空口连接到基站。无线网络方面包括两个主要网络，一个是全球无线接入网络，另一个是NB-IOT新网络。无线网侧负责空口接入处理，高层网元负责非接入层数据处理，其中高层网元的数据是通过无线网侧与核心网相连转发得到的。核心网络承担交互功能，负责与终端的非接入层进行交互。业务的相关数据也要通过核心网转发处理。平台接收到核心网转发的数据，将其推送给应用服务器，目前电信平台是使用最多的平台^[5]。应用服务器和平台进行通信进而对设备进行控制。NB-IOT的网络架构如图3所示。

NB-IOT在工业自动化中的应用空间巨大，这得益于其突出的两个优势：功耗优势和数据连接优  势^[6]。NB-IOT的终端设备待机时间很长，可以高达10年，功耗控制效果显著。而且其模块成本控制难度低，一定程度上降低了设备更新换代的难度，便于实现工业自动化中通讯技术体系的调整，减少不必要的资源浪费。NB-IOT的连接能力很突出，在覆盖区域中可以有着海量节点。当满负荷时，它也可以满足节点的信息获取需要，并且保持在一个较低的延时率水平，对于工业设备有着重要意义^[7]。

2.2 LoRa技术

LoRa是低功耗广域网中工作于未授权频谱的一种无线通讯技术，它主要运行于世界各地的免费频段，易于建设和部署。在当前LoRa的产业链中，每一环均有大量的企业，它促进了LoRa的快速发展和生态繁荣。LoRaWAN是LoRa技术的主要协议规范，采用星型无线拓扑结构，由节点、网关、网络服务器、应用服务器四部分组成^[8]。节点和网关之间通过LoRa网络传输数据，网关将获得的数据进行处理上传到网络服务器。应用服务器调用网络服务器的信息，可以对数据进行查看。LoRa自组网节点设计流程如图4所示。

在工业自动化中采用LoRa技术进行数据的传输有以下三大特点：（1）灵敏度高，功耗低。LoRa采用了线性调频的扩频调制技术，带来很高的链路预算。而高链路预算使通信距离明显增加，网络效率显著提高。这种技术也保持了类似频移键控调制的相同低功耗特性，从而延长终端电池的使用寿命^[9]。（2）系统容量大。基于LoRa技术的网关/枢纽支持并行处理多个数据率，从而可以同时采用多种信道业务，扩大系统容量。（3）支持测距和定位功能。在LoRa系统中，以终端和中央网关为基础的系统通过信号的空中传输时间即可进行测距，而定位基于测量网关和节点之间的时间差可以实现^[10]。

3  结论

机器人和人工智能等新兴产业的升温，使得工业自动化已经进入发展的快车道。在未来，智能化、网络化和集成化将成为工业自动化不可忽略的发展方向。其中的基础是工业网络，核心技术是信息集成。现如今，各种网络架构在工业自动化中得到广泛的应用，无线通讯俨然已经成为工业自动化中信息控制的主流技术。不仅无线通讯技术会给工业自动化带来便利，而且工业自动化进程中衍生的新需要也会激励无线通讯技术的革新，二者必将紧密联

系、共同前进。随着低成本智能传感器的广泛应用和大数据分析必要性的增加，工业自动化中的数据量将会以惊人的速度攀升。网络中节点个数的增多，让我们对成本和功耗更加看重。在网络快速发展的过程中，安全问题也日益突出，而工业自动化的控制则要求快速、可靠。在今后，大数据量、低延迟、广覆盖、高安全性、高可靠性都是工业自动化中无线通讯技术的研究方向。

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