開發(fā)無線測量系統(tǒng)

概覽

無線通信為測量應(yīng)用提供了許多技術(shù)優(yōu)勢，其中包括更低的布線成本和遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。然而，如果不了解每項(xiàng)無線標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)優(yōu)勢和不足，選擇一項(xiàng)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法都會(huì)非常困難。

該文檔討論了市場上可用的各項(xiàng)無線技術(shù)，并展示了如何利用NI測量硬件和NI LabVIEW發(fā)揮無線技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢。

面向測量與自動(dòng)化的無線技術(shù)

在過去的數(shù)年中，無線通信技術(shù)已經(jīng)遍及各個(gè)領(lǐng)域，這在相當(dāng)程度上要?dú)w功于消費(fèi)類電子產(chǎn)品?，F(xiàn)在有數(shù)百家無線設(shè)備制造商，就有同樣多的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。理解每一項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢和不足可以使得技術(shù)選擇過程更為簡便。這一點(diǎn)在不能損害測量數(shù)據(jù)的測量與自動(dòng)化中尤為重要，即使在借助射頻波形時(shí)亦是如此。您可以利用下列無線技術(shù)改善測量系統(tǒng)。每項(xiàng)技術(shù)具有不同的技術(shù)優(yōu)勢與特性。

Wi-Fi與802.11 b/g：IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)包含了一系列的無線局域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)涉及無線終端與基站間的空中接口以及兩個(gè)無線終端間的通信。最初的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)在2.4 GHz頻帶定義了1 Mb/s或2 Mb/s的通信速率。傳輸方法包括跳頻擴(kuò)頻通信(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻通信(DSSS)。

作為該標(biāo)準(zhǔn)的拓展，802.11b(被稱為Wi-Fi)，使得無線網(wǎng)絡(luò)在家庭和辦公場所廣為應(yīng)用。這一變化在2.4 GHz頻帶提供了11 Mb/s的傳輸速率。

802.11g標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)環(huán)境與噪聲條件的不同提供了20 Mb/s或者更高的帶寬。由于該標(biāo)準(zhǔn)的可靠性、安全性和已為市場驗(yàn)證的良好記錄，它被NI應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集。。您可以在該文檔的后續(xù)部分發(fā)現(xiàn)關(guān)于NI 無線數(shù)據(jù)采集(DAQ)產(chǎn)品的更多信息。

IEEE 802.11的關(guān)鍵特性：

工作頻率：b/g – 2.4 GHz

數(shù)據(jù)速率：B/g – 11 Mb/s、g – 54 Mb/s

傳輸距離：b/g – 100米

聯(lián)網(wǎng)：點(diǎn)對多點(diǎn)

功耗：高

藍(lán)牙(802.1a)：一個(gè)由愛立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝等公司組成的企業(yè)聯(lián)盟定義了這一標(biāo)準(zhǔn)。該無線通信標(biāo)準(zhǔn)的主要目的在于使得設(shè)備間的短距離(通常低于10米)通信更為方便。然而，這一標(biāo)準(zhǔn)并沒有像802.11那樣一舉成功，這主要是因?yàn)榫嚯x限制和射頻芯片的價(jià)格。PC外設(shè)連接、電話與頭戴式耳機(jī)的連接和PDA經(jīng)常使用這一標(biāo)準(zhǔn)。該無線標(biāo)準(zhǔn)工作于2.4 GHz頻段，并使用高斯頻移鍵控(GFSK)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。該頻譜劃分為79個(gè)頻道，相鄰頻道間距為1 MHz。與802.11標(biāo)準(zhǔn)相似，藍(lán)牙基于安全考慮采用跳頻技術(shù)，頻道改變高達(dá)1600次/秒。

藍(lán)牙技術(shù)在測量應(yīng)用中的挑戰(zhàn)在于受限的數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍。其配置與安全性也不及802.11g標(biāo)準(zhǔn)廣泛。

藍(lán)牙(802.1a)的關(guān)鍵特性：

工作頻率：2.4 GHz

數(shù)據(jù)速率：1 Mb/s

傳輸距離：10-100米

聯(lián)網(wǎng)：臨時(shí)特設(shè)

功耗：適中

GPRS、GSM：通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)是一項(xiàng)面向跨移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收信息的非語音業(yè)務(wù)。利用GPRS，您可以在數(shù)據(jù)生成的同時(shí)即時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，只要射頻信號(hào)可用。不同于傳統(tǒng)的地面線路，該系統(tǒng)不要求建立連接——因?yàn)樗偸翘幱谶B接狀態(tài)。對于時(shí)間和對事件的快速反應(yīng)都很關(guān)鍵的應(yīng)用，這便是優(yōu)勢所在。GPRS在現(xiàn)有的電路交換的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)上疊加了一個(gè)基于分組的空中接口。理論上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為172.2 kB/s，但是，它假定只有一個(gè)用戶在所分配的時(shí)隙上進(jìn)行通信并沒有采用差錯(cuò)保護(hù)。然而，實(shí)際速率往往低于固定網(wǎng)絡(luò)，并在很大程度上依賴于外周結(jié)構(gòu)、射頻信號(hào)強(qiáng)度和用戶數(shù)。

GSM的關(guān)鍵特性：

工作頻率： GSM-850采用824-849 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用869-894 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息。GSM-1900采用1850-1910 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用1930-1990 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息。GSM-900采用890-915 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用935-960 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息，提供了124條相鄰間隔為200 kHz的RF通道。雙工間隔為45 MHz。GSM-1800采用1710-1785 MHz從移動(dòng)終端到基站收發(fā)器(上行鏈路)發(fā)送信息，采用1805-1880 MHz從反向方向(下行鏈路)發(fā)送信息，提供了299個(gè)通道。雙工間隔為95 MHz。

數(shù)據(jù)速率：172.2 kb/s

傳輸距離：b35 km

聯(lián)網(wǎng)：點(diǎn)對點(diǎn)

功耗：低~高，取決于發(fā)射器的復(fù)雜度

無線調(diào)制解調(diào)器與專有網(wǎng)絡(luò)：許多廠商提供了專為各種惡劣環(huán)境(如極端的溫度范圍、高沖擊和高振動(dòng)條件)設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)調(diào)制解調(diào)器?？晒┦褂玫漠a(chǎn)品的頻率范圍覆蓋了從窄帶(UHF、VHF)到無需許可的寬頻。典型情況下，窄帶需要獲得許可，提供更長的傳播范圍和優(yōu)異的傳播性能，即使在超出視距的情況下也能支持信號(hào)傳輸，適合需要低帶寬的應(yīng)用。擴(kuò)頻特性意味著不必需要許可，提供短程、中程和長程傳輸能力，一般要求在視距范圍內(nèi)，適合中等帶寬和高帶寬的應(yīng)用。

無線的技術(shù)優(yōu)勢

面向測量應(yīng)用的無線技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢在于，能夠最小化或者避免電線和電纜的使用。根據(jù)應(yīng)用與環(huán)境的不同實(shí)際狀況，物理布線可能會(huì)相當(dāng)昂貴、不便，或者甚至無法實(shí)現(xiàn)。其應(yīng)用范例包括平臺(tái)的移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)應(yīng)用(如車輛和起重機(jī))和使布線工作復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)。

無線通信還拓展了數(shù)據(jù)采集與I/O的距離或范圍，使其超越了布線方式下的實(shí)際性能。因此，大規(guī)模操作，如水處理和儲(chǔ)罐區(qū)，廣泛使用了無線技術(shù)。雖然無線聯(lián)網(wǎng)硬件所需的初始投資或許會(huì)高于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)的硬件，但是包括系統(tǒng)安裝開銷和運(yùn)營成本在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的成本通常會(huì)有顯著的下降。

在選擇一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式時(shí)，您應(yīng)當(dāng)考慮多個(gè)因素：

性能

范圍

安全性

性能

在考慮性能時(shí)，考慮頻譜的大小、距離、數(shù)據(jù)速率、功率、用戶數(shù)和技術(shù)的兼容性都很重要。

即使不同的無線標(biāo)準(zhǔn)定義了具體的數(shù)據(jù)速率，實(shí)際上，您在實(shí)際應(yīng)用中所能期望看到的數(shù)據(jù)速率只是理論上最大吞吐量的約30%或者更少。RF干擾與用戶數(shù)目等因素影響著無線網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，如果您正在使用多個(gè)兼容的標(biāo)準(zhǔn)，典型情況下，較慢的標(biāo)準(zhǔn)制約著較快的標(biāo)準(zhǔn)。例如，當(dāng)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用802.11b組件和802.11g組件時(shí)，802.11g組件的數(shù)據(jù)速率會(huì)降至802.11b的數(shù)據(jù)速率。

范圍與吞吐量之間存在一個(gè)不變的平衡。您的硬件應(yīng)當(dāng)自動(dòng)感知信號(hào)的強(qiáng)度(除非您能夠以別的方式辨別)，并在您的信號(hào)減弱時(shí)倒退選用合適的傳輸速率。例如，如果您正在使用802.11b，速率從11Mb/s自動(dòng)降低為5.5 Mb/s、2 Mb/s，甚至為1 Mb/s。對于絕大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)連接，這樣的帶寬已經(jīng)是足夠了。

范圍

通常，一臺(tái)無線設(shè)備的范圍隨頻率的升高而下降，但并非總是如此。測試表明，802.11g與802.11b相比，具有相同的范圍，或者可能少許占優(yōu)，即使他們使用相同的頻率。市場上提供專為擴(kuò)大筆記本電腦的無線范圍(通過提高板卡的功率使其超過Wi-Fi的認(rèn)證極限100 mW)而設(shè)計(jì)的設(shè)備。在為您的系統(tǒng)購買額外的接入點(diǎn)前，考慮添置一個(gè)范圍拓展卡，如果您所在地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)允許如此。

方向天線通常在點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)用中最為有意義。它們將信號(hào)聚焦于一個(gè)窄束，而不是任其像您基站中的等向性天線那樣向各個(gè)方向輻射。您將發(fā)現(xiàn)的是，天線的增益越高，信號(hào)束的聚焦越窄。因而，當(dāng)增益提高時(shí)，恰當(dāng)?shù)貙?zhǔn)天線的必要性也在加大。這樣加大了接收者如果沒有恰當(dāng)布置而丟失所傳送的數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。典型情況下，方向性天線按其增益評級(jí)銷售。您可以在每個(gè)天線的“信號(hào)束寬”的描述中觀察到增益的影響。

安全性

在安裝無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)一個(gè)主要的考慮便是安全性。無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)在商用市場和家居市場的快速成長和普及，催生了許多不同應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，其中包括隱私信息的傳送。對隱私保護(hù)的渴求推動(dòng)了無線安全協(xié)議的發(fā)展，并繼續(xù)激勵(lì)人們?yōu)槭篃o線技術(shù)更為安全付出更多努力。

最初的802.11標(biāo)準(zhǔn)包含了一個(gè)被稱為有線等效私密(WEP)的安全協(xié)議，它以足夠的強(qiáng)度加密數(shù)據(jù)分組阻止了絕大多數(shù)的竊聽者，但仍存在著一些不足。業(yè)界需要一個(gè)強(qiáng)度更高的加密/認(rèn)證系統(tǒng)，這促成了IEEE 802.11i(通常稱為WPA2)的實(shí)現(xiàn)。WPA2提供了可擴(kuò)展的認(rèn)證協(xié)議(EAP)和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)——一種由NIST認(rèn)可并要求在所有美國政府設(shè)施中采用的128-位加密算法。

另一個(gè)安全措施便是最小化無線電波在一個(gè)設(shè)施的物理控制區(qū)域的外部的傳播。這使得無線網(wǎng)絡(luò)變得更為安全，因?yàn)檫@樣降低了竊聽和拒絕服務(wù)攻擊的可能性。

您可以在這里找到關(guān)于無線安全的更多信息。

將無線功能添加至測量系統(tǒng)

Wi-Fi與802.11 b/g：NI 無線數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，依靠標(biāo)準(zhǔn)的、可信賴的技術(shù)，提供簡單、安全的測量，以及高性能的數(shù)據(jù)流功能。您可以實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，將動(dòng)態(tài)波形測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為高達(dá)每通道51.2 kS/s的數(shù)據(jù)流。此外，內(nèi)置的信號(hào)調(diào)理提供了與各種傳感器的連接，其中包括熱電偶、加速計(jì)和負(fù)載元件等。這些設(shè)備利用了NI C系列測量與控制模塊，它們還可以用于USB數(shù)據(jù)采集和NI CompactRIO可編程自動(dòng)化控制器(PAC)。

利用WPA2——商業(yè)可用的最高等級(jí)網(wǎng)絡(luò)安全，無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備保護(hù)您的系統(tǒng)免遭不希望的訪問。認(rèn)證確保只有通過授權(quán)的設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，加密防止了數(shù)據(jù)分組被中途截取。無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持多種可拓展的認(rèn)證協(xié)議(EAP)方法，它們?yōu)镈AQ設(shè)備和無線接入點(diǎn)之間提供相互認(rèn)證。它們還支持128-位AES加密，這種加密方法已被NIST認(rèn)可并且要求在所有美國政府的設(shè)施中采用這一方法。利用強(qiáng)大的安全協(xié)議，您可以將無線連接安全地吸納到現(xiàn)有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。

無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序和測量服務(wù)軟件，后者包括直觀的應(yīng)用編程接口、配置例程、I/O助手以及專為減少系統(tǒng)搭建、配置和開發(fā)所需時(shí)間的工具。

根據(jù)您所使用的NI測量與控制硬件的不同，您可以有其他不同的選擇。所有的NI PAC具有以太網(wǎng)端口的特性。您可以將一個(gè)NI PAC(如NI緊湊FieldPoint、CompactRIO、緊湊視覺系統(tǒng)或PXI系統(tǒng))與一個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)(如NI WAP-3701)相連接。這一操作使您的系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)即刻可用，而且通信也是透明的，就如同該系統(tǒng)與有線網(wǎng)絡(luò)相連一樣工作。

對于帶有NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的臺(tái)式機(jī)PC或筆記本電腦，您可以使用計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)端口與Wi-Fi接入點(diǎn)以及商業(yè)可用的PCMCIA和PCI Wi-Fi適配器相連。幾乎所有的新推出膝上計(jì)算機(jī)和筆記本電腦都具有內(nèi)置Wi-Fi功能的特性。

當(dāng)使用LabVIEW和TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議時(shí)，您的應(yīng)用可以在設(shè)備間正向或反向發(fā)送數(shù)據(jù)，而且無論是采用物理上的以太網(wǎng)線纜還是空中無線電波作為傳輸媒介，它都可以透明地傳輸數(shù)據(jù)。

例如，LabVIEW為TCP通信提供了許多內(nèi)置函數(shù)(參見圖1)。無論測量系統(tǒng)是通過線纜還是無線調(diào)制解調(diào)器與網(wǎng)絡(luò)相連，這些函數(shù)都以同樣的方式工作。

圖1.LabVIEW中關(guān)于TCP的VI

藍(lán)牙或802.1a：當(dāng)前版本的藍(lán)牙技術(shù)(甚至包括新拓展的范圍1類規(guī)范)最適合基于通用操作系統(tǒng)(如Windows)的系統(tǒng)。當(dāng)使用PC作為測量系統(tǒng)的主機(jī)系統(tǒng)時(shí)，您可以利用LabVIEW的內(nèi)置藍(lán)牙函數(shù)庫(參見圖2)。有多個(gè)串口至藍(lán)牙和USB至藍(lán)牙的適配器可用于在臺(tái)式機(jī)或膝上計(jì)算機(jī)上添加藍(lán)牙功能。許多新推出的膝上計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備內(nèi)置藍(lán)牙收發(fā)器的特性。許多PDA也包含了藍(lán)牙通信的功能，通過LabVIEW PDA模塊，您也可以編程訪問該藍(lán)牙通信功能。

圖2 .LabVIEW藍(lán)牙函數(shù)

GPRS、GSM：通過配置使您的測量系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送數(shù)據(jù)，可能比利用其他技術(shù)更為復(fù)雜。下面列出了是一些啟動(dòng)所需的事項(xiàng)：

一個(gè)支持GPRS的終端

訂閱支持GPRS的移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)(注意：使用GPRS必須針對具體用戶進(jìn)行配置。一些移動(dòng)服務(wù)提供商允許自動(dòng)訪問GPRS網(wǎng)絡(luò)，而其他移動(dòng)服務(wù)提供商或許會(huì)要求一個(gè)明確的功能訂閱。)

發(fā)送和/或接受GPRS數(shù)據(jù)所需的一些技術(shù)細(xì)節(jié)，取決于您所使用的具體硬件，也包括軟硬件的配置

通過GPRS發(fā)送或接收信息的目的端(注意：目的端可以是一個(gè)URL、另一個(gè)支持GPRS的設(shè)備(或者接受數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用)或者一只移動(dòng)電話。)

一些選項(xiàng)是專為NI硬件設(shè)計(jì)的(參見圖3)，如由S.E.A.科學(xué)與工程應(yīng)用數(shù)據(jù)技術(shù)股份有限公司(SAE)開發(fā)的面向CompactRIO的GPRS/GSM模塊。利用該模塊，您可以通過移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測無法訪問的、移動(dòng)測量系統(tǒng)。一個(gè)額外的GPS模塊可用于精確的位置定位。分布式系統(tǒng)可以通過RCC模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。面向這些測量數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的平臺(tái)是CompactRIO系統(tǒng)。該平臺(tái)與cRIO Gxxx移動(dòng)模塊相結(jié)合，為汽車、船舶、航空和遠(yuǎn)程服務(wù)等應(yīng)用的移動(dòng)系統(tǒng)提供了頗具吸引力的解決方案。cRIO Gxxx移動(dòng)組合模塊提供了GPRS、GPS和射頻時(shí)鐘等功能特性。該模塊支持位置定位和測量數(shù)據(jù)或事件信息的傳輸。此外，小尺寸數(shù)據(jù)分組或參數(shù)可以作為文本信息(SMS)雙向交換。

圖3.cRIO Gxxx模塊與NI CompactRIO系統(tǒng)(感謝S.E.A提供)

該技術(shù)的典型應(yīng)用有器具、ATM終端、汽車、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集、氣泵、工業(yè)與醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷學(xué)、遠(yuǎn)程測量、安全系統(tǒng)和自動(dòng)售貨機(jī)/游戲機(jī)等。

無線調(diào)制解調(diào)器與專有網(wǎng)絡(luò)：許多公司提供了可以工作于自由頻段或私有許可頻段的工業(yè)級(jí)設(shè)備。一個(gè)專有的RF網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于您擁有這個(gè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸所采用的頻率。它支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，在典型情況下，您不再需要重新訂閱或支付使用花費(fèi)。根據(jù)您的測量設(shè)備、距離、安全性和成本等不同的要求，您可以從多種類型的調(diào)制解調(diào)器中進(jìn)行選擇，其中，大多數(shù)的調(diào)制解調(diào)器都使得無線連接對于軟件透明。

總結(jié)

通過在您的現(xiàn)有或新的測量系統(tǒng)中添加無線通信功能，您可以顯著地增強(qiáng)其適用范圍與靈活性，甚至可以降低成本。無論您是在使用NI 無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備、配有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的PC或膝上計(jì)算機(jī)還是NI PAC，支持系統(tǒng)進(jìn)行無線通信所需的必要連接都已就緒可用。隨著無線技術(shù)的演進(jìn)和成本與復(fù)雜度的降低，您僅需將它們集成到您的測量系統(tǒng)中，您的系統(tǒng)也會(huì)取得相同的改進(jìn)。