本課程包括：

　　1 概述

　　2 基本原理

　　3 網絡構成部件

　　4 同步信息

　　5 優勢

　　6 目標應用

　　7 總結

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　　概述

　　在當前眾多適用于過程應用的無線現場網絡技術當中，自組織網絡乃是最具有發展前途的技術方案。

　　正如其名稱所示，自組織網絡是在動態過程中對自己的組態和通信進行管理，并根據需要自動做出變化以保證信息能夠有效可靠地傳達到其目的地。自組織網絡易于安裝，并易于在已有的網絡中添加新的設備。

　　本課程對無線自組織網絡做出一個概述――從網絡如何進行工作的基本方面到與其它技術的對比優勢(如果您沒有學過關于“拓撲結構和網絡構成部件”的課程，請您學習那篇課程以便更好地理解本文內容)。

　　在本課程末尾，您將會發現一篇簡短的測驗，幫助您確認學到的知識――并贏得寶貴的獎勵點數。

　　提示：

　　在您閱讀本課程內容的同時，請留意下面這些問題的答案：

　　信息如何通過自組織網絡進行傳播?

　　哪些因素決定網絡中信息傳輸遵循的路徑?

　　哪種信息同步方法更好一些，為什么?

　　自組織網絡的重要優點有哪些?

　　下一節：基本原理

　　基本原理

　　自組織網絡綜合了有線網絡的高可靠性和無線網絡的靈活性以及低成本的優勢。

　　有兩個基本的概念決定了這種可能性：多通信路徑和自動路徑配置。

　　多通信路徑。網絡內的每個無線裝置都同時作為附近其它設備的路由器，用來傳遞信號直到它們抵達目的地為止。這種能力提供了冗余的通信路徑――同其它的要求在設備和網關之間具有直接視線路徑的技術方案相比――也就因而具有了更高的可靠性。

　　自動通信路徑配置。每當網絡或其環境發生變化并對通信過程產生影響時，網絡中的設備和網關會協同工作，為每條信息找到并適用最有效的路徑――這條路徑將優化數據的可靠性并使功耗降到最低。

　　這條路徑可以隨需要而變化。例如，當有卡車或腳手架擋住兩個路由器之間的跳頻的時候，路由器將找到替代路徑來繞過障礙。

　　自組織網絡技術的美妙之處在于這種重新配置是自動產生而無需手動干預――無論是當有新設備加入網絡時，還是當發生障礙或是其它通信問題而需要改道發送信息的時候。

　　這個動畫顯示了自組織網絡是如何在一個典型的工廠環境中工作的。

　　


在自組織網絡的最簡單的組態中，無線設備可以直接同網關進行通信。

　　
當您增加設備，擴展網絡時，新設備將自動連接。

　　

當新設備不在網關的覆蓋范圍之內時…

　

　…他們的信息通過其它設備進行傳遞，直接到達主機。

　　
如果有物體中斷了兩個設備之間的通信…

　　

自組織網絡可以識別問題，而且無需人工干預，即可自動沿著下一條最佳路徑改道發送。

　　您也許已經注意到，在上面的插圖中有些通信路徑看來是要繞過或者通過障礙的。這是因為在某些條件下，無線電波在附近的表面經過反射之后，即使沒有一條明顯的視線路徑也可以抵達下一個設備。信號還可以通過一些低密度材料，但是對于典型工廠內的鋼筋水泥而言，這種可能性就比較少見了。無論在何種情況下，信號強度都會減弱，但是由于在典型的自組織網絡中有如此之多的無線設備可供使用，通常來說會有另外一個設備，距離足夠近從而能夠撿起已經變弱的信號。

　　現在我們已經看到信息是如何抵達他們的目的地的了，再讓我們看一下使這一切能夠發生的各個網絡構成部件的情況。

　　下一節：網絡構成部件

　　網絡構成部件

　　自組織網絡有三個基本構成部件：

　　無線設備。無線設備包含一個傳感器，用來獲得測量數據;一個無線收發裝置，來傳達信息。除了作為網絡中的終點設備以外，無線設備還同時作為其它設備的路由器來工作。 他們可以識別一個網絡，加入網絡，并自行組織成為通信路徑。

　　網關。無線網關是一個電腦聯網設備，為自組織網絡中的設備和主機信息系統提供一個界面。它應該能夠提供來自于無線網絡的信息到現有主機系統的無縫整合。

　　主機信息系統。大多數用戶通過主機信息系統來訪問無線設備提供的信息。主機系統可能是一個控制系統、一臺PLC、一個網絡界面或者一個歷史數據記錄器等等。

　　關于自組織網絡組件的更多信息，請參考關于網絡構成部件的課程。

　　下一節：同步信息

　　同步信息

　　當所有的信息都在網絡上的無線設備之間穿行的時候，就會產生一種“碰撞”的風險，即多條信息在同一時間里抵達某個設備或者網關。這時候信息就會被延誤或者丟失。

　　為了防止這個問題的發生，自組織網絡將通信過程進行同步。通過認真仔細的信息傳輸定時，潛在的碰撞就可以在他們發生之前避免。

　　同步信息有兩種方法：CSMA(載波偵聽多路訪問)和 TDMA(時分多址)。

　　利用 CSMA 時，所有的網絡設備都試圖在同一時間內發送信息。 如果有兩個信息發生碰撞，每臺設備都會試圖沿著另外的路徑和/或者不同的時間來重新發送信息。

　　CSMA 的主要缺點是，網絡越大，通信量也就越大，最終碰撞也就越多。在某些點上，幾乎所有的網絡通信都會包含信息的重新發送。

　　碰撞越多當然也就意味著需要越多的能量以便重新發送碰撞信息。有技術分析表明，基于 CSMA 的，由電池供電的網絡當設備數量超過 50 時，就不能再增加了。

　　另一方面，對于 TDMA 來說，網絡內的每個設備都確切知道它們會在什么時間，需要多久進行一次通信。任何需要發送到其它設備或者網關的信息都會處于被儲存的狀態，直到這個節點預定的通信時間到來。

　　由于每一條信息都有一個特定的時隙，并在這個期間穿越網絡，所以不會有碰撞――和由碰撞引起的再發送的產生。

　　TDMA 網絡還可以通過利用許多不同的頻率進行操作以增加可靠性。如果某個頻率處于繁忙狀態，信息可以跳轉到另外一個比較清閑的頻率，這樣可以避免干擾或者“堵塞”。(更多關于避免堵塞問題的信息，請參看關于“安全”的課程。)

　　由于 TDMA 網絡的可靠性更高，信息等待時間更短，耗能也比 CSMA 更少――再加上可以自動探測新設備的能力――對于自組織網絡來說，TDMA 無疑是正確的選擇。

　　下一節：優勢

　　優勢

　　用戶更喜歡自組織網絡的幾個原因，包括：

　　高可靠性

　　無需現場勘測

　　能量效率高

　　自行組網

　　安裝容易

　　具有診斷功能

　　下面讓我們仔細研究一下自組織網絡的這些優點。

　　下一節：優點 – 高可靠性

　　優勢-高可靠性

　　>99%的網絡可靠性

　　網絡可靠性指的是在設備和網關之間進行傳遞并最后實際到達目的地的信息的比例。通過這種方法， 可以衡量您能夠獲取來自于無線設備數據的能力。

　　自組織網絡通常可以有超過 99% 的可靠性。 而在有些網絡中由于不能產生可以由自組織網絡提供的冗余通信路徑，所以可靠性甚至低到只有44%。 比較一下這兩個數據。

　　在點對點無線網絡中，例如， 任何從設備到網關之間的通信路徑的中斷都會導致數據的損失。在工廠的環境中，潛在的中斷威脅――從臨時障礙像建筑設備到射頻干擾等等都時常存在。

　　然而，當有這樣的中斷故障發生在自組織網絡中時， 它只是會很簡單地重新組織一下，然后通過另外一條路徑或以不同的頻率來進行通信。

　　即使沒有一個單一的通信跳頻可以提供高達 99% 的可靠性，通過經常性地選擇能夠提供當時最佳可靠性的路徑，自組織網絡也可以同樣達到這么高的性能。

　　網關

　一個自組織網絡――即使單條路徑的可靠性低于 99%――仍然可創造可靠的路徑來進行通信。

　　最妙的是，可靠性會隨著網絡的擴展而增加。這是因為更多的設備意味者更多潛在的通信路徑，也就意味著為信息能夠順利抵達目的地所提供的保證越大。

　　下一節：優勢 – 無需現場勘測

　　優勢-無需現場勘測

　　現場勘測是指對您的工廠進行物理性檢查，以便確定暢通無礙的視線路徑，從而在網關和無線設備之間生成通信鏈路。勘測時還要分析潛在的鏈路帶寬和速度，以及可能的干擾源。

　　現場勘測可能需要幾百個小時之多，尤其當工廠的建筑、設備以及其它的障礙限制了通信路徑的時候。這些時間太長了――時間意味著金錢。同時這種現場勘測仍然不能預測未來可能導致通信中斷的狀況。

　　但是利用自組織網絡您不再需要費用高昂的現場勘測。事實上，所有您需要了解的，也就是網絡可以支持的最多的無線設備數量，以及網關和路由器的信號覆蓋范圍而已。

　　如果某個設備的合理位置(譬如，需要貼近它的測量點)距離它的網關太遠而不能直接通信，或者有什么物體對信號產生了干擾， 其它在信號范圍內的設備可以將信息進行中轉，以保證信息傳輸的連續性。

　　下一節：優勢 – 能量效率高

　　優勢-能量效率高

　　自組織網絡同傳統的點對點網絡相比，能量效率更高。

　　例如，在點對點網絡中，一個 1W 的無線信號可以覆蓋的距離范圍是 1，500米;而在一個自組織網絡中，十個0.001W (1mW) 的設備就可以通過 150 米長的跳頻達到同樣的覆蓋范圍。

　　為什么會產生 100 比1的這么大的差別呢? 對于自組織網絡而言，用不著利用一個單一設備“一路呼嘯”著直到網關，只需“靜悄悄”地從設備到設備進行傳播，直到信號抵達目的地即可。

　　有些自組織網絡還使用先進的能源管理功能來保存能量。 在這種方法中，無線設備不會持續處于通電狀態。 當不需要發送信息的時候， 他們就會處于“睡眠”模式，通過對所有的電子部件斷電來使耗電達到最少，直到設定的機制在預定的通信時間將設備“警醒”為止。 并且由于使用了有效的 TDMA 通信方式，“警醒”的時間短暫而高效。

　　能量效率高意味著電池可以持續更長的時間。 這一點十分重要，因為電池壽命對維護費用有很大的影響。

　　更多關于無線網絡電源管理的內容，請參看電源管理的課程。

　　下一節：優勢 – 自行組網

　　優勢-自行組網

　　您無需告訴一個自組織網絡如何將信息送達目的地，也無需擔心當添加一個新設備的時候通信如何進行。

　　因為每當一個新設備加入網絡的時候，網絡便會自動進行調整――或自行組織――然后將新設備帶入到網絡中去。如果有設備或者通信路徑失靈，那么信息會自動改變方向，通過網絡內另外的設備進行傳遞。

　　而且，當加入一個新設備后產生了一條更好的路徑，網絡將重新組織以對其加以充分利用。

　　在效果方面，網絡可以自動“治愈”自己，所以任何環境變化都不會阻止信息抵達它的目的地。

　　下一節：優勢 – 安裝容易

　　優勢-安裝容易

　　自組織網絡很容易進行安裝和管理――沒有必要再進行復雜的計劃或者費用不菲的現場勘測。所有您需要知道的無非是網絡可以支持的無線設備的最大數量，以及設備和網關的無線信號的覆蓋范圍而已。只要每個設備或網關都至少處于另外一個的范圍之內，您的網絡就會可靠、有效地工作。

　　自組織網絡還可以對應變化自動調整。即使剛剛安裝完成，你也可以很簡單地進行設備和網關的添加、移出、更換或者重新定位。

　　設備一旦完成安裝，即會自動加入網絡、自行組織，然后傳輸數據。

　　更多關于這個題目的內容，請參考課程關于自組織網絡的計劃和安裝。

　　下一節：優勢 – 具有診斷功能

　　優勢-具有診斷功能

　　想象一下，您能否在同一時間內，不但通過無線網絡接收測量數據，而且可以檢修設備故障，還可以上傳修改的軟件?

　　您當然可以!基于新興的、以無線方式訪問HART信息之標準的自組織網絡有望具備所有的這些能力。這個標準目前正在由 HART 通信基金會 (HCF) 的無線 HART 工作團隊進行的開發之中。

　　利用無線技術的 HART 設備可以無線方式傳達重要的故障診斷數據，例如設備或者過程的健康狀況。 診斷信息也可以動態發送到其它的無線設備，所以相鄰設備可以對失靈設備“報警”做出反應。

　　診斷數據的價值具有重要意義。例如，利用診斷數據可以從控制室通過安全設備來診斷儀器警報， 或者在維修車間就可以減少 60%以上典型的儀表巡檢。

　　下一節：目標應用

　　目標應用

　　第一代自組織網絡針對的是數據更新率在每數秒一次到每分鐘一次的應用場合。這根有線技術方案有所不同，有線方案的更新率通常在十分之一秒左右。

　　在安全方面，自組織網絡非常適合于典型的監測用途。例如，大多數工廠都有幾百個――如果沒有幾千的話――測量點由人工來進行監測。 人工數據收集的時間常為每班、每天、每周、每月一次甚或根本沒有，所以與此相比，每數秒一次的頻率看上去和實時監測幾乎沒有什么兩樣。

　　自動化的無線監測還可以消除許多在手動數據收集中產生的錯誤，包括抄錄板記錄的誤差，表盤式指示的不準確，以及手持式測量設備操作的可重復性較差等等。

　　這些網絡還可以支持開環控制和某些形式的耐時間延遲控制。潛在的開環控制應用包括， 啟動一臺泵或者關閉一只手動切換閥等等，而進行這些動作的操作人員可能需要花費一個小時甚至更多的時間以獲取合適的工作許可，或者來到現場來完成合適的控制動作。 在這種情況下，一分鐘的數據更新率已經可以提供大量的響應時間了。

　　下一節：總結

　　總結

　　通過本課程您學到，自組織網絡可靠、靈活、可升級，而且可以負擔得起――這就是為何它日漸崛起，成為領先的廠內無線技術方案的原因了。

　　本課程的關鍵內容包括…

　　自組織網絡為每一條信息都選用最有效的通信路徑――并且根據需要自動更換路徑。

　　自組織網絡設備至設備的通信方式和自組織能力使它在計劃、安裝和擴展方面十分容易。

　　添加到網絡內的設備數量越多，增加的通信路徑也就使得網絡越可靠。高達 99%的網絡可靠性是很正常的。

　　更短的傳輸距離――以及某些網絡中應用的先進電源管理技術――可以幫助延長設備電池壽命，并因此降低維護成本。

　　為了避免信息碰撞，TDMA 成為首選的同步方式。

　　支持新興的無線 HART 標準的網絡設備還可以傳遞診斷信息。

　　艾默生公司的優勢

　　艾默生推出的智能無線技術方案包括了對自組織網絡方方面面的支持。我們提供一整套網絡部件，包括可以使用頻道跳躍功能的無線設備和網關，TDMA 以及其它基于標準的通信技術――外加我們的智能電源 (SmartPower?) 帶來的先進電源管理，可以使能量消耗最小化，從而延長電池壽命。我們的技術和產品種類繁多，可以為您提供完整的網絡技術方案，包括由具有自組織網絡經驗的專業人員為您提供安裝及技術支持服務等等。