Проблемы беспроводных сетей и пути их решения
Беспроводные локальные сети
Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:
o датчики и исполнительные устройства на подвижных частях конвейеров, ветряных мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипниках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики на теле человека и животных; датчики вибрации на контейнерах для перевозки грузов;
o объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить дизайн: офисные здания, в которых устанавливается пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева и кондиционирования воздуха, для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий; в системах "умного дома" (управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками, бытовыми приборами и др.);
o эпизодическое программирование и диагностика ПЛК, когда прокладывать постоянные кабели не выгодно; дистанционное считывание показаний счетчиков, самописцев;
o объекты с агрессивными средами, вибрацией; объекты, находящиеся под высоким напряжением или в местах, не удобных для прокладки кабеля;
o отслеживание траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг напряженности автомобильного трафика в городах и условий на дорогах, мониторинг леса, моря, сельскохозяйственных культур, мониторинг вредных выбросов в экологии;
o любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей, кабельных каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу и обслуживанию существенно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы, при условии отсутствия жестких требований к надежности доставки сообщений в реальном времени;
o объекты во взрывоопасных зонах.
В большинстве применений беспроводные сети позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с проводными сетями:
o существенно снизить стоимость установки датчиков;
o исключить необходимость профилактического обслуживания кабелей;
o исключить дорогостоящие места разветвлений кабеля;
o уменьшить количество кабелей;
o уменьшить трудозатраты и время на монтаж и обслуживание системы;
o снизить стоимость системы за счет исключения кабелей;
o снизить требования к обучению персонала монтажной организации;
o ускорить отладку системы и поиск неисправностей;
o обеспечить удобную модернизацию системы.
Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традиционных областях применения кабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспроводной системы.
Беспроводные сети делятся на следующие классы:
o сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area Network);
o беспроводные LAN (WLAN - Wireless LAN);
o беспроводные сети датчиков.
В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили три типа беспроводных сетей: Bluetooth на основе стандарта IEEE 802.15.1, ZigBee на основе IEEE 802.15.4 и Wi-Fi на основе IEEE 802.11. Физические уровни модели OSI для этих сетей основаны на соответствующих стандартах IEEE, а протоколы верхних уровней разработаны и поддерживаются организациями Bluetooth, ZigBee и Wi-Fi соответственно. Поэтому в названии сетей обычно указывают ссылки на стандарт. Все три сети используют нелицензируемый ISM (Industrial, Scientific, and Medical) диапазон 2,4 ГГц.
Проблемы беспроводных сетей и пути их решения
С точки зрения требований к промышленным сетям беспроводные сети уступают проводным по следующим характеристикам:
o время доставки сообщений: используемый механизм случайного доступа к каналу CSMA/CA не гарантирует доставку в заранее известное время и эту проблему нельзя решить с помощью коммутаторов, как в проводных сетях;
o помехозащищенность: беспроводные сети подвержены влиянию электромагнитных помех значительно сильнее, чем проводные;
o надежность связи: связь может исчезнуть при несвоевременной смене батарей питания, изменении расположения узлов сети или появлении объектов, которые вызывают затухание, отражение, преломление или рассеяние радиоволн;
o ограниченная дальность связи без использования ретрансляторов (обычно не более 100 м внутри помещений);
o резкое падение пропускной способности сети при увеличении количества одновременно работающих станций и коэффициент использования канала;
o безопасность: возможность утечки информации, незащищенность от искусственно созданных помех, возможность незаметного управления технологическим процессом враждебными лицами.
Уникальным достоинством беспроводных сетей является отсутствие кабелей, что и определяет выбор областей их применения в системах промышленной автоматизации.
Рассмотрим физические причины возникновения перечисленных проблем и методы борьбы с ними. Основными причинами являются интерференция, дифракция, преломление, отражение, рассеяние (переизлучение) и снижение плотности мощности излучения при увеличении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.