无线拓扑结构

　  无线网络的拓扑结构指的是网络组件的布置方式。包括无线设备、路由器和网关的物理排列方式，以及数据在他们之间的传输路径。

　　三种常用于工厂内部无线现场网络的无线拓扑结构形式为星状、网状和簇－树状拓扑结构。

　  星状拓扑结构

　　星状拓扑结构是一种点对点结构形式，在其中单个的无线设备，或节点直接与处于中央位置的“集线器”或网关进行通信。

星状拓扑结构中的设备只与网关进行通信——而彼此之间不能通信

　　网关然后将数据发送到中央数据采集点，例如一个控制室——通过直接方式，或连接到其他网络。网关也会从中央数据点收到数据，然后将它们转发到相应的无线设备。

　　由于每个设备都直接同网关进行通信，有时星状拓扑结构也被描述为“点对点”或“视线”结构。

　　星状结构简单直接的无线连接方式使它可以应用于相对简单或低功率的应用中，这是因为在所有的结构中星状拓扑结构潜在的能耗最少。 然而这种结构的数据传输距离（从无线设备到网关）也十分有限：通常为从30到100米不等，这还是特别选用低功率无线设备以便延长电池寿命时的情况。

　　假如有什么东西挡在了无线设备和它的网关之间，对于这种直接，靠视线传输的路径来说，将很容易被阻塞并造成数据丢失。工厂里有很多东西都会造成这种不良后果：例如无线射频干扰，实体结构如容器、管道和设备等。即使暂时性障碍，例如卡车、建筑设备或脚手架也可能个会导致通信中断，而环境因素，雨，雾，潮湿等等也有同样的破坏作用。

在星状拓扑结构中，当有某种物体处于设备和网关之间，挡住了视线传输路径的时候，可能导致通信中断。

　　这就是为什么基于星状拓扑结构的无线网络作为安装计划的一部分而需要进行的现场勘测十分重要的原因。通过勘测可以确定无线设备放置在哪个位置可以为到网关的视线传输（和适当范围）提供最大的成功的可能性。

　　不幸的是，现场勘测费用高昂，并且只能维持于一时。因为这种勘测不能预测未来的变化，例如新建筑的建设或其他的环境变化，而这些变化会打断信号的视线传输。

　　当这些变化对通信造成干扰的时候，您会有三种选择：

　　· 移动设备 这可能会导致测量质量或数据可靠性的降低。

　　· 移动网关 如果网关是通过有线连接来进行通信和接通电源，或者移动网关会中断到其他设备的通信路径，移动将会十分困难。

　　· 增加设备信号的强度 这样会降低电池寿命，而提供的信号强度可能仍然不足以克服干扰。（这也是为何传统的点对点无线设备经常电池寿命短于一年的原因）。
当拓扑结构允许提供设备到网关之间的多条通信路径的时候，这些局限性大部分都可以克服。
　
　　网状拓扑结构

　　与星状拓扑结构不同，星状结构中每个设备都只能同网关对话，但是在网状结构中却可以同网络中其他的节点对话。 在网状拓扑结构中，信号可以从一个节点“跳”到另外一个节点，直到抵达分配的网关为止——这种能力称作多跳频。

网状结构中的无线设备可以同任何处于发射范围中的其他网络节点进行通信。

　　同星状拓扑结构相比，这种布局既有优点，亦有缺点：

　　· 便于扩展 当网络扩张时，无需增加新的网关，或者对现有的网关重新定位。只要新增加的设备处于任何一个已有的节点发射范围内，就可以在网络上进行通信。

　　· 更高的容错率 每台无线设备都有多条通向网关和其他节点的传输路径。如果一条路径堵塞，或者一个中间节点失灵，信号仍然可以通过其他路径前进。 这就提供了冗余度。

状拓扑结构的多传输路径和多跳频能力使信号可以“绕过”障碍或者失灵的节点

　　· 潜在功耗更高  传统的网状拓扑结构要求传感器节点持续“听取”来自于其他设备的信号，这种“一直待命”的工作周期降低了电池的寿命。

　　新型的网络技术可以避免这种缺点，方法是，只有当需要发送或接收信号时方才激活各个设备。

　　· 网络等待时间  随着设备要求发送信号需要的跳频次数变化，等待时间也随之变化。每次跳频都会增加等待时间，但是测量数据的更新经常每分钟才进行一次，所以这个等待的时间是可以容忍的。

　　簇－树状拓扑结构

　　簇－树状拓扑结构是星状和网状结构的混血儿。其中无线设备以星状连接（点对点）簇拥在路由器或中继器周围，而路由器或中继器则同网关进行网状连接（一点对多点），彼此之间进行通信。

簇－树状拓扑结构结合了设备到路由器之间的点对点连接方式和路由器到网关之间的一点对多点连接方式。

　　这种方式试图融合两种拓扑结构的优点：星状拓扑的潜在的低功耗优势，和网状部分的更大的扩展范围以及更高的容错能力。

如果从路由器到网关之间的直接的、单跳频传输路径中断，信号则通过多跳频通过其他路由器抵达目的地。

　　然而，星状拓扑的缺点仍然存在。仍然需要现场勘测来保证每个末端的设备到他们分配的路由器之间有一条清晰无碍的视线路径，仍然在出现变化或干扰时没有设备到路由器之间的备用路径。

　　选择正确的拓扑结构

　　每种拓扑结构都有独特优势和面临的挑战。那么用户应如何选择呢? 答案很简单：若其特性最适合于应用中最重要的要求，那就是最好的。

　　在相对简单的应用场合，通信即使中断也不会阻止您获得需要的结果，这时候星状拓扑结构可以接受。

　　如果数据可靠性极其重要，那么网状拓扑结构最适合。既可以保护数据不丢失，信号不会减弱，又可以方便扩展，带来额外的收获。

　　如果您想在网络中的不同部分应用不同的拓扑结构，那么可以选择簇－树状结构。例如，由电池供电的测量设备可以按照星状结构连接到由电网电源供电的路由器，而路由器则可以连接成网状拓扑结构。

　　但是，假如您又想得到很高的数据可靠度，方便的网络扩展，又想要很长的电池寿命，该怎么办呢？

　　自组网络

　　由于过程工业的环境是动态的，任何单一的拓扑结构都不可能总是最适合于某个应用。但是自组网络具有内置式的智能和灵活性，可以自动地选用星状、网状或者簇－树状拓扑结构，或者三种都用，根据需要在任何给定的时刻提供最大工作效率。

　　在自组网络中，所有的无线设备和网关都具有作为路由器为附近设备提供服务的能力。但是并不是所有的设备都在所有时间内同其他所有的设备进行通信。这些设备和网关会协同工作，通过鉴别为每条信息选用效率最高的通信路径。
　
　　如果设备处于网关发射范围以内，直接的点对点传输将降低功耗（尤其当结合其他技术，减少通信再试需求的时候）。

　　网络扩展很容易。新设备可以同最近的已有的设备或网关进行通信，这些已有设备可以将新设备认作网络上的授权节点，并知道何时接收和发送信息。

　　当通信路径中断时，网络通过“自愈” 的能力自动为信号寻找下一条最优路径。

　　这种能够动态地自行重新配置，选择效率最高的路径的能力，不需要手动干预，也不会打断数据传输过程，将自组网络同过程自动化无线应用的其他技术方案区别开来。 自组网络带来的好处包括整体功耗更低，信号等待时间减少，数据可靠性更高和无线网络的性能更强劲等等。

　　基本原理

　　自组织网络综合了有线网络的高可靠性和无线网络的灵活性以及低成本的优势。

　　有两个基本的概念决定了这种可能性：多通信路径和自动路径配置。

　　· 多通信路径 网络内的每个无线装置都同时作为附近其它设备的路由器，用来传递信号直到它们抵达目的地为止。这种能力提供了冗余的通信路径，同其它的要求在设备和网关之间具有直接视线路径的技术方案相比也就因而具有了更高的可靠性。
　
　　· 自动通信路径配置 每当网络或其环境发生变化并对通信过程产生影响时，网络中的设备和网关会协同工作，为每条信息找到并适用最有效的路径，这条路径将优化数据的可靠性并使功耗降到最低。

　　这条路径可以随需要而变化。例如，当有卡车或脚手架挡住两个路由器之间的跳频的时候，路由器将找到替代路径来绕过障碍。

　　自组织网络技术的美妙之处在于这种重新配置是自动产生而无需手动干预，无论是当有新设备加入网络时，还是当发生障碍或是其它通信问题而需要改道发送信息的时候。
 
　　网络构成部件

　　自组织网络有三个基本构成部件：

　　· 无线设备 无线设备包含一个传感器，用来获得测量数据；一个无线收发装置，来传达信息。除了作为网络中的终点设备以外，无线设备还同时作为其它设备的路由器来工作。

　　他们可以识别一个网络，加入网络，并自行组织成为通信路径。

　　· 网关 无线网关是一个电脑联网设备，为自组织网络中的设备和主机信息系统提供一个界面。它应该能够提供来自于无线网络的信息到现有主机系统的无缝整合。

　　· 主机信息系统 大多数用户通过主机信息系统来访问无线设备提供的信息。主机系统可能是一个控制系统、一台PLC、一个网络界面或者一个历史数据记录器等等。

　　同步信息

　　当所有的信息都在网络上的无线设备之间穿行的时候，就会产生一种“碰撞”的风险，即多条信息在同一时间里抵达某个设备或者网关。这时候信息就会被延误或者丢失。

　　为了防止这个问题的发生，自组织网络将通信过程进行同步。通过认真仔细的信息传输定时，潜在的碰撞就可以在他们发生之前避免。

　　同步信息有两种方法：CSMA（载波侦听多路访问）和TDMA（时分多址）。

　　利用 CSMA 时，所有的网络设备都试图在同一时间内发送信息。 如果有两个信息发生碰撞，每台设备都会试图沿着另外的路径和/或者不同的时间来重新发送信息。

　　CSMA 的主要缺点是，网络越大，通信量也就越大，最终碰撞也就越多。在某些点上，几乎所有的网络通信都会包含信息的重新发送。

　　碰撞越多当然也就意味着需要越多的能量以便重新发送碰撞信息。有技术分析表明，基于 CSMA 的，由电池供电的网络当设备数量超过 50 时，就不能再增加了。 

　　另一方面，对于 TDMA 来说，网络内的每个设备都确切知道它们会在什么时间，需要多久进行一次通信。任何需要发送到其它设备或者网关的信息都会处于被储存的状态，直到这个节点预定的通信时间到来。

　　由于每一条信息都有一个特定的时隙，并在这个期间穿越网络，所以不会有碰撞和由碰撞引起的再发送的产生。

　　TDMA 网络还可以通过利用许多不同的频率进行操作以增加可靠性。如果某个频率处于繁忙状态，信息可以跳转到另外一个比较清闲的频率，这样可以避免干扰或者“堵塞”。

　　由于 TDMA 网络的可靠性更高，信息等待时间更短，耗能比CSMA更少，具有可以自动探测新设备的能力，对于自组织网络来说，TDMA 无疑是正确的选择。

　　自组织网络的优势

　　* 高可靠性

　　网络可靠性指的是在设备和网关之间进行传递并最后实际到达目的地的信息的比例。通过这种方法， 可以衡量您能够获取来自于无线设备数据的能力。

　　自组织网络通常可以有超过 99％ 的可靠性。 而在有些网络中由于不能产生可以由自组织网络提供的冗余通信路径，所以可靠性甚至低到只有44％。 

　　在点对点无线网络中，例如， 任何从设备到网关之间的通信路径的中断都会导致数据的损失。在工厂的环境中，潜在的中断威胁从临时障碍像建筑设备到射频干扰等等都时常存在。

　　然而，当有这样的中断故障发生在自组织网络中时， 它只是会很简单地重新组织一下，然后通过另外一条路径或以不同的频率来进行通信。

　　即使没有一个单一的通信跳频可以提供高达 99％ 的可靠性，通过经常性地选择能够提供当时最佳可靠性的路径，自组织网络也可以同样达到这么高的性能。

一个自组织网络——即使单条路径的可靠性低于 99％——仍然可创造可靠的路径来进行通信。

　　最妙的是，可靠性会随着网络的扩展而增加。这是因为更多的设备意味着更多潜在的通信路径，也就意味着为信息能够顺利抵达目的地所提供的保证越大。

　　* 无需现场勘测

　　现场勘测是指对您的工厂进行物理性检查，以便确定畅通无碍的视线路径，从而在网关和无线设备之间生成通信链路。勘测时还要分析潜在的链路带宽和速度，以及可能的干扰源。

　　现场勘测可能需要几百个小时之多，尤其当工厂的建筑、设备以及其它的障碍限制了通信路径的时候。同时这种现场勘测仍然不能预测未来可能导致通信中断的状况。
 
　　但是利用自组织网络您不再需要费用高昂的现场勘测。事实上，所有您需要了解的仅仅是网络可以支持的最多的无线设备数量，以及网关和路由器的信号覆盖范围而已。

　　如果某个设备的合理位置（譬如，需要贴近它的测量点）距离它的网关太远而不能直接通信，或者有什么物体对信号产生了干扰， 其它在信号范围内的设备可以将信息进行中转，以保证信息传输的连续性。

　　* 能量效率高

　　自组织网络同传统的点对点网络相比，能量效率更高。

　　例如，在点对点网络中，一个 1W 的无线信号可以覆盖的距离范围是 1'500米；而在一个自组织网络中，十个0.001W (1mW) 的设备就可以通过 150 米长的跳频达到同样的覆盖范围。

　　为什么会产生 100 比1的这么大的差别呢？ 对于自组织网络而言，用不着利用一个单一设备“一路呼啸”着直到网关，只需“静悄悄”地从设备到设备进行传播，直到信号抵达目的地即可。
　
　　有些自组织网络还使用先进的能源管理功能来保存能量。 在这种方法中，无线设备不会持续处于通电状态。 当不需要发送信息的时候， 他们就会处于“睡眠”模式，通过对所有的电子部件断电来使耗电达到最少，直到设定的机制在预定的通信时间将设备“警醒”为止。 并且由于使用了有效的 TDMA 通信方式，“警醒”的时间短暂而高效。

　　能量效率高意味着电池可以持续更长的时间。 这一点十分重要，因为电池寿命对维护费用有很大的影响。

　　* 自行组网

　　您无需告诉一个自组织网络如何将信息送达目的地，也无需担心当添加一个新设备的时候通信如何进行。

　　因为每当一个新设备加入网络的时候，网络便会自动进行调整或自行组织，然后将新设备带入到网络中去。如果有设备或者通信路径失灵，那么信息会自动改变方向，通过网络内另外的设备进行传递。

　　而且，当加入一个新设备后产生了一条更好的路径，网络将重新组织以对其加以充分利用。

　　在效果方面，网络可以自动“治愈”自己，所以任何环境变化都不会阻止信息抵达它的目的地。

　　* 安装容易

　　自组织网络很容易进行安装和管理——没有必要再进行复杂的计划或者费用不菲的现场勘测。所有您需要知道的无非是网络可以支持的无线设备的最大数量，以及设备和网关的无线信号的覆盖范围而已。只要每个设备或网关都至少处于另外一个的范围之内，您的网络就会可靠、有效地工作。

　　自组织网络还可以对应变化自动调整。即使刚刚安装完成，你也可以很简单地进行设备和网关的添加、移出、更换或者重新定位。

　　设备一旦完成安装，即会自动加入网络、自行组织，然后传输数据。

　　* 具有诊断功能

　　想象一下，您能否在同一时间内，不但通过无线网络接收测量数据，而且可以检修设备故障，还可以上传修改的软件？

　　您当然可以！基于新兴的、以无线方式访问HART信息之标准的自组织网络有望具备所有的这些能力。这个标准目前正在由 HART 通信基金会 (HCF) 的无线 HART 工作团队进行的开发之中。
　
　　利用无线技术的 HART 设备可以无线方式传达重要的故障诊断数据，例如设备或者过程的健康状况。 诊断信息也可以动态发送到其它的无线设备，所以相邻设备可以对失灵设备“报警”做出反应。

　　诊断数据的价值具有重要意义。例如，利用诊断数据可以从控制室通过安全设备来诊断仪器警报， 或者在维修车间就可以减少 60％以上典型的仪表巡检。

　　目标应用 

　　第一代自组织网络针对的是数据更新率在每数秒一次到每分钟一次的应用场合。这与有线技术方案有所不同，有线方案的更新率通常在十分之一秒左右。

　　在安全方面，自组织网络非常适合于典型的监测用途。例如，大多数工厂都有几百个甚至几千个测量点由人工来进行监测。 人工数据收集的时间常为每班、每天、每周、每月一次甚或根本没有，所以与此相比，每数秒一次的频率看上去和实时监测几乎没有什么两样。

　　自动化的无线监测还可以消除许多在手动数据收集中产生的错误，包括抄录板记录的误差，表盘式指示的不准确，以及手持式测量设备操作的可重复性较差等等。

　　这些网络还可以支持开环控制和某些形式的耐时间延迟控制。潜在的开环控制应用包括， 启动一台泵或者关闭一只手动切换阀等等，而进行这些动作的操作人员可能需要花费一个小时甚至更多的时间以获取合适的工作许可，或者来到现场来完成合适的控制动作。 在这种情况下，一分钟的数据更新率已经可以提供大量的响应时间了。