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無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用及發(fā)展
無(wú)線(xiàn)傳輸
引言
　　 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，顧名思義是利用無(wú)線(xiàn)電波而非線(xiàn)纜來(lái)實(shí)現與計算機設備位置無(wú)關(guān)的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸系統，是現代數據通信系統發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的相互滲透、結合，產(chǎn)生了基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器的全新概念。這種基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化智能傳感器，使得工業(yè)現場(chǎng)的數據能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路直接在網(wǎng)絡(luò )上傳輸、發(fā)布和共享。無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)能夠在工廠(chǎng)環(huán)境下，為各種智能現場(chǎng)設備、移動(dòng)機器人以及各種自動(dòng)化設備之間的通信提供高帶寬的無(wú)線(xiàn)數據鏈路和靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補了有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的不足，進(jìn)一步完善了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的通信性能。

應用
　　目前，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)協(xié)議主要是：對于可用于現場(chǎng)設備層的無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)，采用的主流協(xié)議是IEEE 802.15.4（ZigBee）；對于大數據容量的短程無(wú)線(xiàn)通信，則是IEEE 802.15.3；而對于適應較大傳輸覆蓋面和較大信息傳輸量的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，采用的是IEEE 802.11系列。其中應用的重點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)
。
　　無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng) （傳感器網(wǎng)絡(luò )Sensor Networks）
　　現場(chǎng)設備層無(wú)線(xiàn)通信迅速進(jìn)入工控領(lǐng)域，其中一個(gè)突破口是現場(chǎng)總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的結合。以Zigbee網(wǎng)絡(luò )為例，其特點(diǎn)是：1）功耗低：由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用休眠模式。2）數據傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。3）網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )可以容納最多65536個(gè)從設備和一個(gè)主設備，一個(gè)區域內可以同時(shí)存在最多100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )。4）時(shí)延�。横槍�時(shí)延敏感的應用做了優(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)設備信道接入時(shí)延為15ms。5）兼容性：與現有的控制網(wǎng)絡(luò )標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(Coordinator)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。6）安全性：Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應用可以靈活確定其安全屬性。7）實(shí)現成本低：模塊的初始成本較低。
　　典型的產(chǎn)品和應用為：2004年Honeywell推出的基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議的無(wú)線(xiàn)變送器XYR 5000系列；OMRON的無(wú)線(xiàn)鏈接Device Net現場(chǎng)總線(xiàn)主站W(wǎng)D30-ME和從站W(wǎng)D30-SE； 德國schild knecht公司推出的無(wú)線(xiàn)Profibus-DP產(chǎn)品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工廠(chǎng)利用Ember的無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行的無(wú)線(xiàn)通信評估試驗。
　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wireless LAN)
　　自從1977年第一個(gè)民用網(wǎng)系統ARCnet投入運行以來(lái)，有線(xiàn)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，獲得了成功并得到了迅速發(fā)展。然而，在工業(yè)現場(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(xiàn)局域網(wǎng)很難發(fā)揮作用，因此無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)得到了發(fā)展和應用。隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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，有成千上萬(wàn)的感應器，檢測器，計算機，PLC，讀卡器等設備，需要互相連接形成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )，通常這些設備提供的通信接口是RS-232或RS-485。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)設備使用隔離型信號轉換器，將工業(yè)設備的RS-232串口信號與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡(luò )信號相互轉換，符合無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)IEEE 802.11b和以太網(wǎng)絡(luò )IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，有效的擴展了工業(yè)設備的聯(lián)網(wǎng)通信能力。
　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)通信協(xié)議可采用IEEE802.3來(lái)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式或采用IEEE802.11實(shí)現一點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸方式，也可以在普通局域網(wǎng)基礎上通過(guò)無(wú)線(xiàn)Hub、無(wú)線(xiàn)接入站、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、無(wú)線(xiàn)Modem及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡等來(lái)實(shí)現，其中現場(chǎng)以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡使用最為普遍。
　　利用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組建自動(dòng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，相比之下具有有線(xiàn)固定網(wǎng)絡(luò )無(wú)法比擬的優(yōu)勢：1）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲更適合工業(yè)網(wǎng)絡(luò )應用：支持RS-232工業(yè)設備點(diǎn)到點(diǎn)的連接。支持廣播的拓撲，多個(gè)RS-232工業(yè)設備可組成對等網(wǎng)絡(luò )，相互通信。(RS-232通信協(xié)議無(wú)法支持多點(diǎn)通信)�？蛻�(hù)機/服務(wù)器的拓撲，每個(gè)RS-232工業(yè)設備都可以方便、快捷的接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，極大的提高了信息處理能力。2）無(wú)需布線(xiàn)，省去了施工的麻煩：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)利用無(wú)線(xiàn)電波傳輸數據信號，適合于難于布線(xiàn)的環(huán)境中搭建數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。在工業(yè)現場(chǎng)，鋪設的線(xiàn)纜容易受到頻繁的觸碰損壞，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )則保證了網(wǎng)絡(luò )的安全性。3）覆蓋范圍廣：無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)在開(kāi)放空間覆蓋半徑達550米，室內一般覆蓋半徑為300-400米，通過(guò)室外無(wú)線(xiàn)設備傳輸距離可以達到幾十公里。
　　現主要應用在遠程視頻傳輸、門(mén)禁/考勤管理系統、安防管理系統、生產(chǎn)設備聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化、電信/光纖網(wǎng)絡(luò )監控、醫療/實(shí)驗儀器聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化、工業(yè)/流程聯(lián)網(wǎng)控管等領(lǐng)域。
　　藍牙技術(shù)(Bluetooth)
　　藍牙是由東芝、愛(ài)立信、IBM、Intel和諾基亞于1998年5月共同提出的近距離無(wú)線(xiàn)數字通信的技術(shù)標準。自從提出該技術(shù)以來(lái)，藍牙技術(shù)的發(fā)展異常迅速。藍牙Bluetooth作為一種新的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，受到全世界越來(lái)越多工業(yè)界生產(chǎn)廠(chǎng)家和研究機構的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，世界上一些權威的標準化組織，也都在關(guān)注藍牙技術(shù)標準的制定和發(fā)展。例如，IEEE的標準化機構，也已經(jīng)成立了802．15工作組，專(zhuān)門(mén)關(guān)注有關(guān)藍牙技術(shù)標準的兼容和未來(lái)的發(fā)展等問(wèn)題。IEEE 802．15．2 TG2是探討藍牙如何與IEEE 802．11b無(wú)線(xiàn)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)藍牙技術(shù)向更高速率(如10-20Mbits/s)發(fā)展的問(wèn)題。國內的一些生產(chǎn)廠(chǎng)家與研究部門(mén)也準備開(kāi)始組織藍牙技術(shù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
　　藍牙是取代數據電纜的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可以支持物體與物體之間的通信，工作頻段是全球開(kāi)放的2．4GHz頻段，可以同時(shí)進(jìn)行數據和語(yǔ)音傳輸，傳輸速率可達到10Mb/s，使得在其范圍內的各種信息化設備都能實(shí)現無(wú)縫資源共享。 藍牙技術(shù)的應用非常廣泛而且極具潛力。它可以應用于無(wú)線(xiàn)設備(如PDA、手機、智能電話(huà)、無(wú)繩電話(huà))、圖像處理設備(照相機、打印機、掃描儀)、安全產(chǎn)品(智能卡、身份識別、票據管理、安全檢查)、消費娛樂(lè )(耳機、MP3、游戲)、汽車(chē)產(chǎn)品(GPS、ABS、動(dòng)力系統、安全氣袋)、家用電器(電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機)、醫療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。
發(fā)展方向
　　1）當前重要的發(fā)展方向是通信協(xié)議的標準化。如無(wú)線(xiàn)系統與現有系統的共存性（Co-existence），不同廠(chǎng)家設備的相互可操作性以及系統之間的相互協(xié)作性，這些都有賴(lài)于制定能被普遍接受的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。
2）無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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。
　　3）現場(chǎng)總線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)傳輸的可行性正在評估，無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)將會(huì )和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)更加緊密結合。
　　4）無(wú)線(xiàn)傳輸目前尚處在發(fā)展的早期階段。無(wú)線(xiàn)技術(shù)首先會(huì )用在樓宇自動(dòng)化、自動(dòng)抄表、事故響應、設備監控等領(lǐng)域得到應用。當前較適宜應用的行業(yè)有：汽車(chē)制造、食品加工、制藥和設備資產(chǎn)跟蹤等。
　　5）由于工廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)種類(lèi)較多，技術(shù)特征差異比較大，無(wú)線(xiàn)通信只是現有有線(xiàn)通信系統的一種發(fā)展和重要補充，決非一種替代，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )將向有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)相結合方向發(fā)展。
　　
結束語(yǔ)

　　近年來(lái)，以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )架構已越來(lái)越廣泛的應用于自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域，取代傳統的串口通信將成為自動(dòng)化系統通信的主流。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制中的應用，主要包括數據采集、視頻監控等，幫助用戶(hù)實(shí)現移動(dòng)設備與固定網(wǎng)絡(luò )的通訊或移動(dòng)設備之間的通訊，且堅固、可靠、安全。它適用于各種工業(yè)環(huán)境，即使在極惡劣的情況下也能夠保證網(wǎng)絡(luò )的可靠性和安全性。在設備層則將現場(chǎng)感應器、檢測器、PLC、讀卡器或其他設備，互相連接形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器控制網(wǎng)絡(luò )，作為信息系統內管理收集數據的工具�，F在最終用戶(hù)和系統集成商都對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)表現出了越發(fā)濃郁的興趣。工廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)通訊的發(fā)展前景看好，國內業(yè)界應該更緊密地關(guān)注該項技術(shù)。