工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)研究

王薩

摘 要：近年來(lái)，以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域，取代傳統(tǒng)的串口通信將成為自動(dòng)化系統(tǒng)通信的主流。文章重點(diǎn)分析了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)，希望能和同仁們一道分享。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通訊技術(shù) 工業(yè)自動(dòng)化 應(yīng)用發(fā)展

我國(guó)的無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展前景廣闊，市場(chǎng)秩序良好，無(wú)線通信技術(shù)將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)最受歡迎的技術(shù)，其自身具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化的迅速發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景，潛力很大。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，Zigbee技術(shù)與UWB技術(shù)將會(huì)不斷地完善和進(jìn)步，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)⑹且淮筮M(jìn)步，其發(fā)展可以更好地推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化的蓬勃發(fā)展。

1 無(wú)線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

有線通信的建立必須通過(guò)物理鏈路，布置線纜費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有時(shí)，由于某些工業(yè)環(huán)境（如高溫高壓）及其地理位置（如經(jīng)過(guò)湖泊、林區(qū)等）的特殊性，不易布線。即使建好以后，還易遭受雷擊、環(huán)境的腐蝕及鼠蟲(chóng)的嚙咬：一旦出了故障，不但不易查找，維修起來(lái)也很不方便。相比而言，無(wú)線技術(shù)就要便利的多，無(wú)需布線，故障診斷也很容易，可以借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)建好以后，往往因?yàn)槟撤N原因增加新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，如果采用有線方式就要追加布線，更極端的情況可能破壞原來(lái)的通信鏈路。但是，如果采用無(wú)線組網(wǎng)，就可以在已有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，增加無(wú)線接入點(diǎn)（wirelessAccess Point WAP），修改少量的軟件設(shè)置就可以達(dá)到擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的目的。對(duì)于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)而言，只要它能執(zhí)行自己的功能，可以把節(jié)點(diǎn)放置到某個(gè)工業(yè)區(qū)域的任何地方，物理移動(dòng)有著很大的自由性。無(wú)線技術(shù)有自己的安全協(xié)議，有獨(dú)特的加密算法，不易被竊聽(tīng)：由于采用了擴(kuò)頻或跳頻技術(shù)，具有很好的抗干擾性，這在惡劣的工業(yè)環(huán)境中極為重要。

2無(wú)線技術(shù)分析

2.1傳感器網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無(wú)線通信迅速進(jìn)入工控領(lǐng)域，其中一個(gè)突破口就是現(xiàn)場(chǎng)總線和無(wú)線通信技術(shù)的結(jié)合。以Zigbee 網(wǎng)絡(luò)為例，其特點(diǎn)是：由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用休眠模式；采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；一個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)；針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms；與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道存取，為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議；Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性；模塊的初始成本較低。

2.2無(wú)線局域網(wǎng)

自從1977年第一個(gè)民用網(wǎng)系統(tǒng)ARCnet投入運(yùn)行以來(lái)，有線局域網(wǎng)以其廣泛的適用性和技術(shù)價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，獲得了成功并得到了迅速發(fā)展。然而，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一些工業(yè)環(huán)境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線局域網(wǎng)很難發(fā)揮作用，因此無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)將在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，有許許多多的感應(yīng)器、檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)、PLC、讀卡器等設(shè)備，需要互相連接形成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，通常這些設(shè)備提供的通信接口是RS-232 或RS-485。無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備使用隔離型信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將工業(yè)設(shè)備的RS-232串口信號(hào)與無(wú)線局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡(luò)信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，符合無(wú)線局域網(wǎng)IEEE 802.11b和以太網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，有效地?cái)U(kuò)展了工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通信能力。無(wú)線網(wǎng)通信協(xié)議可采用IEEE802.3來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式或采用IEEE802.11實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳輸方式，也可以在普通局域網(wǎng)基礎(chǔ)上通過(guò)無(wú)線Hub、無(wú)線接入站、無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線Modem及無(wú)線網(wǎng)卡等來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中現(xiàn)場(chǎng)以無(wú)線網(wǎng)卡使用最為普遍。

2.3藍(lán)牙技術(shù)

近年來(lái)，世界上一些權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化組織，也都在關(guān)注藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)展。例如，IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，也已經(jīng)成立了802.15工作組，專門(mén)關(guān)注有關(guān)藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的兼容和未來(lái)的發(fā)展等問(wèn)題。IEEE802.15.2 TG2是探討藍(lán)牙技術(shù)如何與IEEE 802.11b 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)共存的問(wèn)題；而IEEE 802.15.3 TG3 則是研究未來(lái)藍(lán)牙技術(shù)向更高速率（如10～20Mbits/s）發(fā)展的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家與研究部門(mén)也準(zhǔn)備開(kāi)始組織藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。藍(lán)牙是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無(wú)線通信技術(shù)，可以支持設(shè)備與設(shè)備之間的通信，工作頻段是全球開(kāi)放的2.4GHz頻段，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸，傳輸速率可達(dá)到10Mb/s，使得在其范圍內(nèi)的各種信息化設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫資源共享。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛而且極具潛力。它可以應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備（如PDA、手機(jī)、智能電話、無(wú)繩電話）、圖像處理設(shè)備（照相機(jī)、打印機(jī)、掃描儀）、安全產(chǎn)品（智能卡、身份識(shí)別、票據(jù)管理、安全檢查）、消費(fèi)娛樂(lè)（耳機(jī)、MP3、游戲）、汽車產(chǎn)品（GPS、ABS、動(dòng)力系統(tǒng)、安全氣袋）、家用電器（電視機(jī)、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機(jī)）、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。

3無(wú)線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前無(wú)線局域網(wǎng)重要的發(fā)展方向是通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。如無(wú)線系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存性，不同廠家設(shè)備的相互可操作性以及系統(tǒng)之間的相互協(xié)作性，這些都有賴于制定能被普遍接受的無(wú)線通信協(xié)議。無(wú)線局域網(wǎng)今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移動(dòng)漫游、網(wǎng)絡(luò)管理以及與其它移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的關(guān)系等問(wèn)題上。其發(fā)展方向有：更高的通訊速率；研發(fā)智能天線進(jìn)一步提高頻譜利用率，增加覆蓋范圍；與Wimax（微波存取全球互通Worldwide Interoperability for Microwave Access）融合，支持高速、移動(dòng)接入?，F(xiàn)場(chǎng)總線的無(wú)線傳輸?shù)目尚行哉谠u(píng)估，無(wú)線通訊技術(shù)將會(huì)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)更加緊密結(jié)合。無(wú)線傳輸目前尚處在發(fā)展的早期階段。無(wú)線技術(shù)首先會(huì)在樓宇自動(dòng)化、自動(dòng)抄表、事故響應(yīng)、設(shè)備監(jiān)控等領(lǐng)域得到應(yīng)用。當(dāng)前較適宜應(yīng)用的行業(yè)有汽車制造、食品加工、制藥和設(shè)備資產(chǎn)跟蹤等。由于工廠無(wú)線技術(shù)種類較多，技術(shù)特征差異比較大，無(wú)線通信只是現(xiàn)有有線通信系統(tǒng)的一種發(fā)展和重要補(bǔ)充，決非一種替代，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將向有線和無(wú)線相結(jié)合方向發(fā)展。

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