低功耗在工业自动化的实现过程中扮演着越来越重要的角色,不断补充的新的协议可以帮助降低功耗和成本。
无线技术可以通过多种方式降低功耗。使用低功耗芯片、合适的协议和节能软件来降低无线收发器的功耗,有助于降低直接成本。此外,根据当时的活动和人员配备水平,还可以在工厂车间周围使用无线控制器来控制供暖、照明和高压空调的水平。这可以大大降低设施的总体直接功耗。
降低功耗的方法远不止此。现在,在收发芯片的涉及和制造方面,很多技术得到了提高,很多实现将无线器件和模块已经具备了能量收集能力。在工业生产的成本控制过程中,无线传感器发挥了重要作用。当降低无线系统的功耗时,应该通过降低收发器功率或使用固有的低功耗拓扑(例如网状网络)来解决问题。根据数据速率、网络节点之间的延迟和距离,也可以使用几种不同的协议。
德州仪器(TI)针对Zigbee的CC2531芯片低功耗SoC是一款真正的支持USB的SoC片上系统解决方案,适用于IEEE 802.15.4通信标准和Zigbee模块应用,如工业控制。通过内置的无晶USB接口,它可以以较低的总成本构建USB加密狗或USB可升级网络节点。CC2531将Chipcon的射频收发器的性能与业界标准的增强型32MHz8051微控制器、系统中的可编程闪存和8KBRAM结合在一起。对于需要超低功耗的系统,还具有多种运行模式,各运行模式之间的转换时间短,进一步保证了低能耗。
根据IEEE 802.15.4的规定,2.4GHzISM频段被划分为16个互不重叠的信道。WirelessHART使用伪随机信道跳跃序列来降低干扰其他网络(尤其是Wi-Fi)的可能性。信道跳变是指设备长时间不固定在IEEE802.11b/g网络使用的信道上。使用时分多址(TDMA)协议可确保在任何给定时间只有一个设备在信道上通话,从而防止消息冲突,并通过使用10ms时隙提供定义的延迟。
WirelessHART网状网络
WirelessHART使用带有10dB放大器的2.4GHz无线电,允许与下一个节点的最大通信距离为200米,而下一个节点又可以充当路由器,在电网中传递信息。当不需要全程传输时,节点可以以较低的功率进行传输,以减少干扰其他网络的机会。
它使用直接序列扩频(DSSS)提供约8dB的额外增益,其传输范围分布在所选信道的整个频率范围内。具有正确解码信息的设备可以接收数据,而其他设备将传输视为白噪声并忽略它。这允许接收和共存多个重叠无线电信号。
蓝牙技术现在正在成为一种可行的工业自动化技术。例如,蓝牙V4.0在核心规范中引入了低能耗技术,使新设备能够在微扣式电池上运行数月甚至数年。
由于这项技术已被多家制造商用于安全和消费应用,因此其成本在工业应用中变得非常有吸引力,特别是在需要扩展范围链路的情况下。
6LoWPAN的目标是低功率无线通信、低数据速率和非常有限的外形。工业自动化是一个关键领域。通过指定在不同网络上发送相同数据包的方式,几乎不需要转换数据包,从而降低了复杂性、功耗和成本。
与此同时,互联网工作组一直在研究使用IPv4和IPv6连接传感器和设备的更高级协议。6LoWPAN或IPv6低功耗无线个人区域网定义了封装和报头定义,允许通过IEEE 802.15.4网络(如Zigbee)发送IPv6数据包,以便这些数据包可以在更广泛的Internet上使用。
虽然这是一个较高级别的协议,但它直接影响无线网络中实现的处理要求和数据包大小,从而影响每个节点的功耗。
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