随着工业4.0（工业物联网）的发展，通信需求正在迅速变化。机器对机器（M2M）通信，例如连接的机器人，仓库自动化和工厂加工机械，正变得越来越普遍，并要求更高的可用性，更好的鲁棒性，更低的延迟和确定性的模式。在这种发展中，基于电缆的通信根本无法满足连接设备在灵活性，移动性和监视方面的巨大增长所要求的要求。

IO-Link无线技术是IO-Link标准的扩展，是第一个满足这些需求并向传感器和执行器提供可靠且确定性的无线通信的无线协议。

IO-Link无线标准是最近发布的，正在接受公众审查。IO-Link Wireless首次为工业自动化控制系统提供了可靠，实时和确定性的协议。预计该标准将扩展工业控制应用中的串行有线电缆，增加有线协议中缺少的移动性和灵活性，并使工业机械通信更上一层楼。

1.3 IO-Link Wireless概述

IO-Link Wireless定义了工厂自动化环境中传感器或执行器与PLC控制器之间的无线网络通信。用

1.4 IO-Link Wireless性能指标

与现有IO-Link规范兼容
性能、功能和容量与有线解决方案相当
与现场总线和设备制造商独立
循环数据（过程数据）和非循环数据（按要求数据）
每个区域支持3台主机(master)
每个master主机支持一个小区
每个Master主机最多有5个无线通道
每个无线通道最多8个从设备，每个主机支持40个设备（120个终端用户）
一个区域中的3台主机，多达120台设备（终端用户）
使用2.4 GHz ISM频段射频收发器
循环时间 <5 ms，即空口延时为5ms，或者说5ms调度一次。
传输功率：≤ 10 dBm（10 mW）EIRP
覆盖范围：一个主区Zone覆盖20米，如果使用多个通道，每个master则覆盖10米
配对服务：将设备与适当的主机配对
扫描服务：将“未配对”设备添加到系统
一个区域内移动设备无速度限制
不同主机之间设备的受控漫游（漫游到其他小区）
跳频切换到空闲、未使用的频带
10E-9的误码率
黑名单机制，确保与其他无线系统共存
提高效率、降低成本、保持竞争力

IO-Link Wireless单个Master可以连接40个无线节点（传感器或执行器）
5毫秒的确定性通信延迟。它提供的可靠性优于10e-9数据包错误率（PER）。例如，其他无线标准（如 WLAN，蓝牙和Zigbee）显示的PER在工业环境中的可靠性要低6个数量级（～ 1e-3）。
IO-Link Wireless支持漫游功能。
并且可以在实时网络中包含能耗低的电池供电或能量收集传感器。
兼容性：IO-Link Wireless的主要功能之一是与工厂和过程自动化协议的兼容性。可以使用IO-Link的系统规划，设置，操作和维护标准工程工具，以确保与有线 IO-Link解决方案的向后兼容性。
无线传输距离可以达到20米。
无线通信使用2.4G免费频谱。
过程数据的长度最大为32个字节，在每个通信周期中交换。
传送信息：控制参数和诊断数据，例如标识信息，设置，警告和错误，可根据要求进行交换。

第2章 IO-Link Wireless架构

2.1 IO-Link Wireless系统组成与架构

IO-Link无线系统通常由IO-Link无线现场总线网关（主站）和IO-Link无线从设备组成。

主设备与从设备之间通过无线连接。

从设备可以是传感器，执行器，RFID读取器，阀门，电动机启动器或简单的I/O模块。

此外，标准的IO-Link无线系统包括用于传感器/执行器配置和参数分配的工程工具。

无线IO-Link的体系结构看起来类似于有线（星形拓扑），但没有通信电缆。

2.2 IO-Link的无线+有线的组网架构

下图显示了基于IO-Link无线和有线系统架构的示例。

IO-Link Wireless还支持IO-Link与IOLink Wireless之间的桥接功能。

该功能是标准的一部分，允许快速IO-Link无线设备连接到主机。

在上图中：

左边是IO-Link无线：Master与Slave通过IO-Link 2.4G无线进行通信。
右边是IO-Link有线：Master与Slave通过IO-Link有线（3线或5线）进行通信。
IO-Link无线master和IO-Link有线 master, 通过现场总线，如工业以太网、CAN总线等于PLC或PC机相连。

第3章 IO-Link Wireless的协议栈

3.1 IO-Link无线物理层–鲁棒性的来源

（1）射频

功率：为了符合法规标准，最大射频发送功率为10mW。
频谱：选择了2.45 GHz ISM频段（非授权频谱），该频段会受到无线拥塞环境的影响。

（2）基带：高可靠性的调制方式：窄带GFSK

为了满足工业环境中的高可靠性要求（PER为10e-9）， IO-Link Wireless选择了窄带GFSK（高斯频移键控）调制。这种调制具有高功率功效和对干扰源的良好抑制性能，而且由于窄带1MHz而具有抗信道衰落的能力。相同的调制服务于其他协议，例如低能耗蓝牙和802.15.4标准，但由于媒体访问协议方案不同，因此具有不同的性能。

（3）基带：多址方式：频分FDMA与时分多址

为了保证在拥挤的环境中实现高度可靠的链接，已经使用了频分多址FDMA和时分多址TDMA的组合。

（4）TDD（时分双工） or FDD（频分双工）

IO-Link Wireless支持TDD（时分双工）

从IO-Link主站到设备的下行链路（DL）消息和从设备到主站的上行链路（UL）消息在规定的时间范围内以半双工模式进行交换。

3.2 IO-Link Wireless无线网络

3.3 主要特性与指标

来替代IO-Link有线的应用场景。它旨在提供与有线电缆类似的性能水平和向后兼容的接口，因此从有线系统到无线系统的迁移变得容易。

3.4 IO-Link Wireless performance

Compatible with existing IO-Link specification
Performance, functionality and capacity are comparable to cable-bound solutions
Fieldbus and manufacturer independent
2.4 GHz ISM Band RF Transceiver
Transmission power: ≤ 10 dBm (10 mW) EIRP
Dilation: 20 m within one Master zone, 10 m if more than one channel is used
Cyclic data (process data) and acyclic data (on request data)
Cycle time < 5 ms (循环周期）
Up to 3 Masters in one zone
Up to 5 radio channels per Master
Up to 8 Devices per channel, 40=5*8 devices per Master
Up to 120 Devices in one zone are possible
Pairing service: pair Devices with the appropriate Master
Scan-Service: Add "un-paired" devices to the system
No speed limitation for moving devices within one zone
Controlled roaming of devices between different Masters
Frequency-hopping to switch to free, unused frequency bands
Bit Error Probability of 10E-9
Blacklisting mechanism to ensure co-existence with other wireless systems
Increased efficiency, cost reduction, continued competitiveness

3.5 物理层帧结构

每个master支持5个并行的无线通道
每个通道的帧结构：上行到下行的切换 + 下行传送 + 下行到上行的切换 + 上行传送
上下行切换时间：208us
下行slot的时间： 48us
下行发送时间：8个slot周期, 共418us
上行slot的时间： 96us
上行发送时间：8个slot, 共832us （分配给上行传输的时间大于下行数据传输的时间）
每个slot支持一个device，即一个用户
每个通道支持8个slot，即支持8个device，即8个用户
每个子帧的总时间：208us + 418us + 208us + 832us = 1.666ms
每个循环周期小于5ms，即最大上下行的延时分别小于5ms
每个循环周期支持两次循环数据重传， 1.666ms * 2 = 3.3ms < 5ms
每个5ms周期内完成上行和下行数据的传输
一个zone支持3个master, 即3个小区Cell
终端可以不同的小区之间漫游

第4章 IO-Link Wireless应用

4.1 案例1

（1）需求

制造工厂由各式各样的旋转组件和设备组成。这些旋转的组件无法通过有线的方式传送数据。

IO-Link Wireless无线技术，以最经济、有效、可靠和简单的方式消除了对电缆的需求。

（2）从站

在执行器中集成了IO-Link Wireless嵌入式模块，把信号传输方式转变成无线传输。

借助IO-Link Wireless嵌入式模块，可设计成各种无线的矢量末端，如夹持器和真空泵。

（3）主站

从原先需要与从站通过线缆连接，变成现在的使用无线通信。

4.2 案例2：

（1）需求

其他快速旋转的组件，如数控机床工具（CNC），在运动时无法以可靠的方式传输数据。

（2）从设备

IO-Link无线解决方案专为这些恶劣的环境而设计，无线通信可以集成在旋转的机械组件内部。

从而为分析和预测性维护、安全性改造以及卓越的运营提供端到端的解决方案方案，解决了工业空间的束缚。

（3）主设备

（4）总体解决方案

IO-Link Wireless解决方案的结构如下：

第5章 IO-Link Wireless产品（虹科）

5.1 终端从设备

（1）TigoBridge SOM

TigoBridge SOM，是嵌入式IO-Link无线桥接器模块，用于设计和构建IO-Link无线传感器和执行器。将IO-Link和数字数据转换为IO-Link无线。

（2）无线桥接器嵌入式模块——TigoAir SOM

TigoAir SOM,是嵌入式IO-Link无线桥接器模块，用于设计和构建IO-Link无线传感器、执行器或I/O集线器。

5.2 主设备

（1）IO-Link Wireless主站—TigoMaster 2TH

TigoMaster 2TH是具有IP67防护外壳的2通道工业级IO-Link无线主站，内嵌TigoMaster 2T SOM模块。每条通道最多支持8个设备，从而同时支持多达16个IO-Link无线设备。每条通道都使用自己的收发器和专用天线。

TigoMaster 2TH包括各种工业以太网和现场总线协议的接口，如PROFINET 、 EtherCAT 、 Ethernet/IP OPC-UA 和MQTT，可以直接连接到 PLC （ OT 网络）和 IT 网络。TigoMaster 2TH可以通过TigoEngine进行设置、配置和监控，TigoEngine是用于IO-Link无线系统的工程工具。

TigoMASTER 2TH通常用于以下无线任务关键型应用:

》机器人/协作机器人上的末端执行器(例如夹具、真空泵)的无线控制，以消除电缆，增加灵活性和降低复杂性

》在线性运输轨道系统中，快速移动载体上的传感器和执行器的无线控制

》在苛刻条件下，从快速旋转部件中收集数据，如数控机床上的刀具处理程序

（2）IO-Link Wireless主站—TigoMaster 2TS