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一、 無線傳感器網(wǎng)絡是工業(yè)自動化的新熱點
無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn) 引起了全世界范圍的廣泛關注，被稱為二十一世紀最具影響的技術之一。改變世界的10大新技術之一。全球未來的四大高技術產業(yè)之一。而無線傳感器網(wǎng)絡技術很快也將進入工業(yè)自動化和工業(yè)測控領域，大多數(shù)工業(yè)儀表和自動化產品都將很快嵌入無線傳輸功能，完成從有線到無線過渡。
圖1是一個典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風能、機械振動發(fā)電等），網(wǎng)絡路由器 （具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡路由功能）和無線網(wǎng)關（將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者傳輸通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)）。
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圖1 典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡 |
由于市場巨大，許多在工業(yè)自動化領域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡產品和系統(tǒng)，國內也有不少研究機構和大型公司在進行相關研究，但是，涉及無線傳感器網(wǎng)絡的技術都是高度保密的東西，我們這些普通的工程師們，很難了解其中的細節(jié)和有機會參與任何設計工作。
那么我們作為從事自動化和工業(yè)控制的普通工程師們，能否有機會自己動手，來設計適合自己應用需要的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡產品？來開發(fā)我們自己需要的無線工業(yè)自動化項目？
無線SoC技術的發(fā)展，將使我們的夢想，將變?yōu)楝F(xiàn)實，目前應該是一個明顯的轉折點和交匯點。
回答的肯定的：我們完全可能自己動手，設計適合自己應用特點的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡。
二、選擇合適的微控制器和開發(fā)平臺
工業(yè)環(huán)境中的射頻通信條件較為惡劣，廠房中遍布的各種大型器械、金屬管道等對信號的反射、散射造成的多徑效應，以及馬達、器械運轉時產生的電磁噪聲，都會干擾無線信號的正確接收，同時，工業(yè)環(huán)境強烈的電磁干擾，也對使用在工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的核心微處理器提出了新的挑戰(zhàn)。我們自己動手設計在這樣環(huán)境中運行的工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)，首先需要選擇合適的微處理器和高頻電路。
圖2是一個典型的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件結構示意圖。
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圖2 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點示意圖 |
目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新無線單片機解決方案：MC13224, CC2530, MSP430F5437+CC2520， 都是很好的SoC 微控制器解決方案（見表1） ，這些方案的特點是，高度集成化設計，微處理器和無線收發(fā)部分在同一芯片內部，需要電路板面積小于2平方厘米，外圍只小于很少零件，就有很強抗干擾能力。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關，路由器和傳感器節(jié)點，都可以使用同一微處理器來設計。
采用上述方案，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，最大的特點是經濟和方便，因為無線單片機芯片價格很低，甚至已經低于許多類型普通單片機，設計者可以放手進行設計和調試，不必擔心芯片損壞等。另外目前國內嵌入式設計的知識已經相當普及，設計工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，路由器，節(jié)點和設計我們熟悉的普通單片機系統(tǒng)，核心技術沒有什么不同，而且IAR編譯，調試系統(tǒng)是目前世界是最強大的商業(yè)化嵌入式C語言軟件設計工具，配合成都無線龍通訊提供的無線單片機開發(fā)平臺，樣板工程設計，JTAG在線仿真器，你可以精確的將故障定位到每一行指令，將無線組網(wǎng)和通訊，實現(xiàn)慢動作式的重放，并隨時捕獲空中無線數(shù)據(jù)包裝。整個無線通訊軟件硬件設計的過程，在這些高級調試開發(fā)工具的幫助下，完全透明化，可控制化，使你像開發(fā)你的其它單片機系統(tǒng)一樣，快捷容易的完成設計任務。
三、ZigBee PRO 符合工業(yè)無線網(wǎng)絡設計要求
與面向家庭的無線網(wǎng)絡技術（ZigBee2004到ZigBee 2006屬于這類面向家庭的技術）不同，面向工業(yè)自動化應用的無線網(wǎng)絡技術需要滿足以下五個方面需求。
■ 高可靠性：大部分的工業(yè)控制應用要求數(shù)據(jù)的可靠傳輸率要超過95%。為了實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場使用無線通信來實現(xiàn)高可靠傳輸面臨以下挑戰(zhàn)，ZigBee PRO協(xié)議棧采用2.4 GHz物理層都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻）技術（包括數(shù)據(jù)的調制，激活和休眠射頻收發(fā)器,信道能量檢測,信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質量指示,空閑信道評估,收發(fā)數(shù)據(jù)等）具有很強抗干擾能力，而且MAC層和應用層(APS部分)有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制使節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用。網(wǎng)絡層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，從源節(jié)點到達目的節(jié)點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網(wǎng)絡的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現(xiàn)故障，ZigBee PRO可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信。同時ZigBee PRO最新增加的頻率捷變(frequency agility)，也大大加強其作為工業(yè)網(wǎng)絡使用的可靠性，ZigBee PRO網(wǎng)絡受到外界干擾，比如各種工業(yè)現(xiàn)場的無線干擾，無法正常工作時，整個ZigBee PRO網(wǎng)絡可以自動動態(tài)的切換到全部16個頻道的一個干凈工作信道上（實現(xiàn)FHSS跳頻功能）。和其它目前采用DSSS+FHSS的工業(yè)無線網(wǎng)絡協(xié)議比較，ZigBee PRO可靠性和抗干擾性更勝一籌。采用表1無線單片機，都可以支持ZigBee PRO無線網(wǎng)絡協(xié)議棧。
■ 嚴格實時性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應低于1.5倍的傳感器采樣時間。ZigBee PRO網(wǎng)絡針對工業(yè)通信對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為毫秒級別，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了網(wǎng)絡路由效率。在通過多跳接力的方式進行傳輸?shù)难舆t大幅度降低，完全能夠保證端到端通信實時性。
■ 低能耗：用于對工業(yè)全流程進行泛在感知的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由于成本的限制和安裝條件限制，通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。由于表一中列出的新型無線單片機和ZIGBEEPRO 無線前端的一系列革命性的新設計,節(jié)點的電池壽命應達到3至10年。能夠實現(xiàn)使用最少的能源的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡。
■ 安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化進程的推進，網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)安全問題日益突出，一些安全漏洞將給工業(yè)控制應用造成巨大的損失。無線通信由于信道的開放特征更容易受到攻擊，其安全保障機制將更加復雜。
為了工業(yè)網(wǎng)絡應用設計了高安全模式(High Security Mode)，就是當節(jié)點加入網(wǎng)路時，信托中心(Trust Center, TC) 會先配一把萬能金鑰(Master Key)給新加入的節(jié)點，然后，新加入的節(jié)點再用這把萬能金鑰透過SKKE 的流程，與網(wǎng)路中的任何節(jié)點建立連結金鑰(Link Key)，最后再利用連結金鑰加密后產生一把網(wǎng)路共用的網(wǎng)路金鑰，網(wǎng)路金鑰(NWK Key)放在應用層有效載荷中傳送給對方，然后再通過網(wǎng)路傳輸加密資料。ZigBee PRO安全設計，完全能夠實現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡對安全通訊的主要要求。
而且如表1所示的新的16位，32位無線單片機具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，已經完全具有能力實現(xiàn)復雜的安全算法的能力，對應工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡提出的挑戰(zhàn)。
■ 兼容性：為了保護用戶的原有投資，基于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡要具有與工廠原有的有線控制系統(tǒng)互連和互操作的能力。采用ZigBee PRO設計的無線網(wǎng)關，能夠實現(xiàn)和目前工業(yè)以太網(wǎng)，CAN總線，各種工業(yè)控制總線的無縫連接，和互聯(lián)網(wǎng)的IP通訊。ZigBee也是全球無線傳感器網(wǎng)絡的重要標準，是具有很好兼容性的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡協(xié)議軟件。
綜上所述，以傳感和控制為目標ZigBee PRO無線網(wǎng)絡，具有加強版商業(yè)級和工業(yè)的協(xié)議棧，完全可以滿足上述五個方面的要求，使用ZigBee PRO協(xié)議棧，完全可以設計出圖2所示結構那樣，滿足自己特別應用要求的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡項目和產品。
四、有線到無線，我們笑迎新的技術挑戰(zhàn)
通過上面的簡單介紹，我們看到任何工程師，都有機會來進入這個全新的技術領域，入門并不難，精通也辦得到。這是因為我們生活在互聯(lián)網(wǎng)時代，也是因為國內在這個領域已經有像無線龍 通訊這樣的一批先行者，他們出版了相關中文書籍（北航出版《無線單片機叢書》十本，最新一冊是《ZigBee 2007PRO入門與實戰(zhàn)》），提供相關C51RF、 MSPRF、 ARMRF 系列低價格無線單片機開發(fā)工具，同時對ZigBee PRO這樣的協(xié)議棧的應用提供相關技術支持，提供高頻模塊等服務，這樣，就使我們入門進行設計開發(fā)時，更加方便容易，另外，TI/Freescale公司，提供了廉價的無線單片機芯片，高性能的免費無線網(wǎng)絡協(xié)議棧。這些，都為我們投入這個全線的技術領域――相對復雜的工業(yè)自動傳感器網(wǎng)絡和無線工業(yè)自動控制領域，打開了方便之門。
本文重點介紹的是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡部分的實現(xiàn)，其實，在已經實現(xiàn)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡和節(jié)點間雙向通訊的前提下，實現(xiàn)對工業(yè)設備的無線控制控制，包括繼電器，I/O,開關控制，電機控制，都已經是很容易實現(xiàn)的，水到渠成的事情，只需要在軟件和硬件上進行一些小的擴展就可以了。
從有線到無線，從傳統(tǒng)有線工業(yè)自動化系統(tǒng)，到新的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，我們面對全新的挑戰(zhàn)，讓我們現(xiàn)在就出發(fā)，在這些設計開發(fā)的挑戰(zhàn)中，去完成我們技術更新和升華。 | 
