امروزه سیستم های ارتباطی و به خصوص شبكه های اطلاعاتی مختلف در كارخانه ها و خطوط تولید از اهمیت خاصی برخوردار می باشند. این شبكه ها در لایه های مختلفی مانند لایه سنسور/ عملگر, لایه كنترل, لایه SCADA/HMI و لایه مدیریتی بر اساس پروتكل های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به مسائل و مشكلاتی كه در پیاده سازی, توسعه و نگهداری شبكه های اطلاعاتی در یك محیط صنعتی وجود دارد, امروزه استفاده از سیستم های ارتباطی بدون سیم به عنوان یك جایگزین مناسب مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به بررسی تكنولوژی شبكه های محلی بدون سیم در پروسه های صنعتی خواهیم پرداخت. 

مقدمه

شبكه های كامپیوتری محلی (LAN) معمولا به صورت سیمی پیاده سازی می شوند. اما كابل كشی, هزینه زیادی را در بر دارد و پیكربندی مجدد سیستم در یك محیط صنعتی مشكل می باشد. همچنین نویز های الكتریكی می توانند باعث تداخل در شبكه گردند. این نوع شبكه ها قابلیت جابجایی ندارند و فقط در یك مكان مشخص می توان از آنها استفاده نمود. به خاطر همین مشكلات بسیاری از صنایع تاكنون محیط خود را شبكه بندی ننموده اند. 
تكنولوژی ارتباط بدون سیم امروزه این امكان را می دهد تا شبكه محلی سیمی خود را با استفاده از امواج رادیویی گسترش دهید. یك شبكه بدون سیم دقیقا مانند یك شبكه مبتنی بر سیم عمل می نماید و نیاز به برنامه نویسی اضافه تری ندارد. یك خبر خوب در این زمینه آن است كه محصولات مربوط به سیستم بدون سیم از پیاده سازی شبكه بر اساس سیم, ارزان تر تمام می شوند. بخش بدون سیم شبكه به راحتی قابل پیكربندی مجدد می باشد و به تغییرات محیط و كاربرد, به خوبی پاسخ می دهد. همچنین نگهداری و نصب این نوع از شبكه ها ساده تر و سریع تر می باشد. 

امروزه نیازهای اصلی در مورد شبكه ها را می توان به صورت زیر تقسیم بندی نمود:

•قابلیت انعطاف: به دلیل رقابت در دنیای صنعت، كارخانجات باید به روز شوند تا بتوانند نیازهای مشتری را برآورده سازند. این به روز سازی مستلزم تغییرات در خط و پیكربندی تولید می باشد. بنابراین شبكه های كامپیوتری كه در این محیط ها مورد استفاده قرار می گیرند, باید دارای این ویژگی باشند.
•كنترل كیفیت: به دلیل اهمیت بالای كنترل كیفیت, امروزه جمع آوری داده و آنالیز آن از اهمیت بسیار زیادی برخوردار می باشد.
•كنترل دارایی و موجودی: یكی از مسائل مهم در تولید، اطلاع دائم از وضعیت موجودی مواد اولیه و تولیدات می باشد. بدین ترتیب تولید همیشه به طور مستمر و منظم پیگیری می شود. 
•سرعت: معمولا مشتریان نیاز دارند كه محصول به سرعت به دست آنها برسد. بنابراین سرعت یك پارامتر مهم در تولید می باشد. 

نرم افزارها و سیستم هایی كه برروی شبكه های محلی در محل كارخانه و صنایع اجرا می شوند كمك می كنند تا بتوان به این اهداف دست پیدا نمود. در ادامه به بررسی این موضوع پرداخته می شود. 

شبكه های محلی در صنعت

شبكه های محلی (LAN) صنعتی برای برقراری ارتباط بین كامپیوترها، PLC ها و دستگاههای دیگری مانند ماژول های I/O، استارتر موتور، سنسورها، عملگرها و غیره به كار می روند. یك LAN می تواند دارای چندین مركز كنترل باشد و یا این كه كنترل آن به صورت مركزی صورت بگیرد. 
امروزه در بسیاری از كارخانه ها, بخش های مختلف خودكار شده اما كل یك كارخانه با یكدیگر یكپارچه نشده است. برای رسیدن به این هدف, تمام قسمت ها باید با یكدیگر ارتباط داشته باشند و استفاده از LAN بهترین گزینه برای رسیدن به این مقصود می باشد. 
مشكلات شبكه های محلی مبتنی بر سیم را می توان به صورت زیر برشمرد:
•محدودیت ها و مشكلات فیزیكی: قطع شدن سیم و گرفتن نویز از محیط.
•هزینه نصب و نگهداری: طراحی و نصب كابل ها معمولا زمان بر و هزینه بر می باشد. همچنین هزینه تعمیر و نگهداری این گونه از شبكه ها بالا می باشد. 
•ناسازگاری پروتكل ها: امكانات صنعتی موجود در كارخانجات معمولا از عدم سازگاری پروتكل ها رنج می برند. بنابراین متصل نمودن این سیستم ها به یكدیگر و برقراری ارتباط مستقیم بین آنها مشكل می باشد. 
•عدم قابلیت تحرك و وفق پذیری: وقتی كه محصول تغییر می كند امكانات تولید نیز باید تغییر نماید. بنابراین سیم كشی شبكه ها نیز باید بر این اساس, تغییر نماید. این مساله هزینه بسیاری را در برخواهد داشت. همچنین در بعضی از كاربردهای لازم است تا سیستم متصل به شبكه در حال حركت باشد اما وجود اتصالات سیمی این مساله را با مشكل مواجه می كند.
•محدودیت های فاصله و فضا: بلندتر شدن سیم باعث خواهد شد نویز پذیری و تضعیف سیگنال بیشتر شود. اگر كه سیم كشی در محیط بیرون بخواهد صورت بگیرد مشكلات بسیاری برای آن پیش خواهد آمد. اجرای این شبكه ها در محیط های خشن مانند دمای زیاد و یا مواد خطرناك امكان پذیر نمی باشد.

WLAN چیست؟

شبكه محلی بیسیم یا WLAN در واقع یك شبكه LAN می باشد كه دارای مبدل هایی برای ارسال و دریافت سیگنال های رادیویی می باشد. WLAN لازم نیست كه جای تمام قسمت های LAN را بگیرد, بلكه فقط قسمت هایی كه دارای مشكلاتی برای كابل كشی می باشند می توانند از این تكنولوژی استفاده نمایند. 
WLAN دارای دو قسمت اصلی می باشد. نقطه دسترسی فرستنده/گیرنده و Client راه دور. این موضوع در شكل شماره (1) نشان داده شده است. 
 

شكل 1- اجرا شدن بخشی از شبكه LAN به صورت بیسیم

نقطه دسترسی در واقع یك فرستنده/گیرنده ثابت می باشد كه به LAN اضافه شده است. فرستنده/گیرنده راه دور یا همان Client, قسمتی از LAN كه در یك مكان دیگر واقع شده است را به قسمت اصلی LAN از طریق رادیو ارتباط می دهد. 
علاوه بر این فرستنده/گیرنده یك شبكه WLAN می توانند جهت ارتباط بین پروتكل های مختلف از Bridge و یا Gateway استفاده نمایند. Gateway یك نقطه دسترسی مبتنی بر یك پروتكل را با یك فرستنده/گیرنده راه دور كه دارای یك پروتكل دیگر می باشد, ارتباط می دهد. بنابراین می توان تجهیزاتی كه نمی توانند به طور مستقیم با یكدیگر ارتباط برقرار نمایند را به هم متصل نمود. Bridges برای ارتباط دادن قسمت هایی از شبكه كه دارای پروتكل های شبیه به هم می باشد مورد استفاده قرار می گیرد و نیاز به قسمت Translation Gateway ندارد. این موضوع در شكل شماره (2) نشان داده شده است.

شكل 2- نحوه استفاده از Bridge و Gateway در برقراری ارتباط بین دو قسمت ناهمگون 

مزیت های WLAN

مزیت های استفاده از WLAN را می توان به صورت زیر برشمرد:
•حل كردن مسائل مربوط به مكان هایی كه سیم كشی امكان پذیر نمی باشد:  در محیط های بسیار داغ و یا در معرض مواد خورنده, سیم كشی بسیار مشكل می باشد اما استفاده از سیستم ارتباط رادیویی به راحتی این مشكل را حل می نماید.
•قابلیت های مربوط به مسیرهای طولانی:  متصل نمودن قسمت های مختلف یك كارخانه و یا خط تولید بزرگ نیاز به چندین مایل سیم كشی دارد. اما امروزه شبكه های محلی بیسیم می توانند به طور معمول تا 15 مایل مورد استفاده قرار بگیرند. 
•قابلیت انعطاف:  با استفاده از شبكه های محلی بدون سیم, تغییرات در خط تولید و یا پیكربندی پروسه می تواند به راحتی و بدون صرف هزینه و زمان زیاد, اعمال شود. 
•كاهش پیدا نمودن هزینه سیم كشی:  با استفاده از اجزای بدون سیم برای اتصال قسمت های اصلی شبكه LAN نیاز به سیم كمتری می باشد.
•قابلیت حركت: سیستم های متحرك و یا كارگرانی كه به جمع آوری اطلاعات می پردازند می توانند در حال حركت اطلاعات خود را به كامپیوتر مركزی ارسال نمایند. 
•مقاومت در برابر نویز:  شبكه های محلی بدون سیم معمولا از تكنولوژی طیف گسترده استفاده می نمایند كه نسبت به نویزهای صنعتی ایمن می باشد.
•قابلیت اعتماد:  سیستم های ارتباطی بدون سیم امروزی از سیستم های مبتنی بر سیم در برابر شنود و اخلال ایمن تر می باشند. 

تكنولوژی طیف گسترده

تكنولوژی طیف گسترده كه برای شبكه های محلی بدون سیم به كار می رود از زمان های خیلی دور مورد توجه بوده است. ارتش آمریكا از زمان جنگ جهانی دوم برای محافظت كردن سیگنال های رادیویی در برابر شنود و یا پارازیت برروی این سیستم فعالیت می نمود. 
این روش به كلاسی از تكنیك مدولاسیون اشاره می كند كه دارای طیف فركانسی گسترده ای می باشد. سیگنال های طیف گسترده دارای دو ویژگی زیر می باشند:
1.پهنای باند سیگنال ارسالی از پهنای باند اطلاعات خیلی بیشتر می باشد. این موضوع در شكل شماره (3) نشان داده شده است. به جای استفاده از یك باند فركانسی باریك مانند آنچه در رادیوهای FM به كار برده می شود، سیگنال حامل از آنچه كه برای ارسال اطلاعات مورد نیاز می باشد، بزرگتر است. اطلاعات واقعی به گونه ای مدولاسیون می شوند كه دارای پهنای باند وسیع بوده و برای گیرنده های غیر مجاز مانند نویز عمل می كنند. 
2.الگوها ویا كدهایی برای مشخص نمودن پهنای باند اصلی اطلاعات ارسالی, همراه با اطلاعات فرستاده می شود. این كدها باعث می شوند كه گیرنده های مجاز بتوانند اطلاعات مورد نیاز خود را از سیگنال دریافتی استخراج نمایند. همچنین به دلیل استفاده از این كد، مقاومت سیگنال در برابر نویز بسیار بالا می باشد. 

به دلیل این كه ارسال بر اساس طیف گسترده, در برابر تداخلات ایمن می باشد, بنابراین یك انتخاب طبیعی برای كاربردهای صنعتی خواهد بود. FCC برای استفاده های تجاری از طیف گسترده, سه باند 900MHz, 2.4GHz, 5.7GHz را تعیین نموده است. برای این باندها نیاز به تاییدیه و مجوز FCC نمی باشد

شكل 3- مقایسه مدولاسیون طیف گسترده با FM

انتخاب یك سیستم طیف گسترده مناسب:

دو نوع از روشهای مدولاسیون طیف گسترده برای استفاده های صنعتی مناسب تر می باشند. این دو روش به شرح زیر می باشد.

Direct Sequence:

این روش مدولاسیون طیف گسترده از یك رشته تصادفی مقادیر باینری برای كدگذاری اطلاعات ارسالی استفاده می كند. این كد در واقع یك Pseudo-Random Noise (PN) خوانده می شود. تركیب نمودن اطلاعات دیجیتال با PN, اطلاعات را برروی یك طیف مشخص گسترده می نماید. سیگنال ارسالی دارای پهنای باندی نزدیك به سیگنال PN خواهد بود. (شكل شماره 4)

Frequency Hopping:

در این روش سیگنال در یك باند وسیع برای یك مدت زمان كوتاه ارسال می شود و سپس پهنای باند به فركانس های دیگر اختصاص داده می شود. نحوه پرش ها وابسته به ترتیب كد می باشد. دو جز اصلی برای این نوع مدولاسیون مورد نیاز می باشد. اول این كه الگوی جهش باید برای گیرنده مشخص باشد و دیگر این كه رادیویی كه به عنوان Master می باشد باید یك سیگنال همزمانی برای دنبال كردن جهش ها فراهم نماید. (شكل شماره 5)

شكل 4- مدولاسیون Direct Sequence

شكل 5- مدولاسیون Frequency Hopping

با استفاده از تكنولوژی طیف گسترده یك تعداد از تجهیزات ارتباطی بدون سیم می توانند در یك محیط و به طور همزمان اطلاعات خود را ارسال نمایند. این مساله با برپا نمودن كانال های مختلفی برای هر دستگاه امكان پذیر می باشد. كانال های مختلف با استفاده از ترتیب مختلف جهش های فركانسی و یا با استفاده از الگوهای كدگذاری مختلف, ایجاد می شوند.
برای عدم استفاده از شبكه های محلی بیسیم در گذشته دلایلی وجود داشت كه امروزه آنها از بین رفته اند. این گونه برداشت ها را می توان به صورت زیر دسته بندی نمود:
بالا بودن قیمت شبكه های بیسیم
مانند سایر سیستم های كامپیوتری, شبكه های محلی بدون سیم با پیشرفت تكنولوژی كاهش قیمت پیدا كرده اند. بنابراین امروزه قیمت آنها بسیار كاهش پیدا نموده است. 
عدم اطمینان شبكه های محلی بدون سیم
نسل های اولیه شبكه های بدون سیم برای محیط های نویزی مناسب نبودند. اما امروزه با استفاده از تكنیك های مدولاسیون طیف گسترده این مشكل به طور كامل برطرف شده است. 
ارسال اطلاعات پارازیت پذیر می باشد.
همان طور كه ذكر گردید یكی از مزیت های استفاده از مدولاسیون طیف گسترده مقاومت در برابر پارازیت می باشد. 
دستگاههای بدون سیم خیلی كند می باشند.
امروزه با پیشرفت تكنولوژی, ارسال اطلاعات با سرعت 500Kbps به راحتی امكان پذیر می باشد و برای دستگاههایی كه حجم اطلاعات زیادی را در زمان كم باید مبادله نمایند بسیار مناسب می باشد. 
سیستم های بدون سیم به راحتی می تواند مورد شنود قرار بگیرد.
با استفاده از روش های كدینگ مورد استفاده در مدولاسیون طیف گسترده, امكان شنود و یا رمزگشایی اطلاعات بسیار كم می باشد.