无线工业网络

关键词： 有线 布线 无线网络 网络

无线工业网络（精选十篇）

无线工业网络 篇1

网络分为有线网络与无线网络2大类。其中, 无线网络具有方便、快捷的特点, 不需要复杂的布线, 可以在覆盖范围内自由移动, 相互通信连接快速。由于无线网络存在这些优势, 使得无线网络可以更方便地照顾到有线网络不能顾及的地方。对于经常需要变动网络布线结构和用户需要大范围移动计算机的情况, 使用无线局域网可以克服由于线缆限制而引起不便的问题。对于时间紧又需要迅速建立通讯而使用有线网架设不便、成本高或耗时长的情况, 也可使用无线局域网。因此无线网络技术也就逐渐运用到了工业自动化的数据传输方面, 而由于工业现场的复杂环境以及工业应用的特殊要求 (如数据传输要求无缝、安全、可靠、实时) , 这就促使工业无线网络技术需进一步提高。

1 工业无线网络的工作原理

图1为工业无线网络的工作原理。数据采集模块通过Modbus接口连接至设备, 定时采集设备数据 (间隔时间可由服务器指定) 并通过无线方式向外发送, 每个采集节点既可以在mesh网络里进行数据传输, 也可以作为其他节点传输路径中的路由节点, 并且可以通过无线方式接收服务器下发的控制命令。数据接收设备接收到数据后, 通过标准接口将数据发送至监控中心的计算机存储, 也可以通过互联网发送至远端控制中心。对于信号弱或者障碍物较多的情况, 可以通过安装无线路由器来实现区域的无线覆盖, 以提高传输的稳定性与可靠性。

2 无线网络的安全可靠性

在关键的工业无线应用中, 网络的可用性和可靠性是非常重要的。通常工业环境中的EIM/RFI (电磁干扰/射频干扰) 会导致数据在特定频率的传输过程中产生信号错误或数据丢失。因此, 新一代双射频模块可设定为冗余AP端或冗余客户端, 双射频通道同时运作, 防止数据传输中的相互干扰 (图2) 。现在的无线设置支持RSTP协议的网络冗余, 电源输入和POE功能则实现了电源冗余。在这种拥有多种冗余机制的情况下, 可以保证网络随时在线。

支持IP68等级以及宽温设计, 提供防尘、防水的双射频户外型AP/Bridge/Client在温度变换及其他环境因素变化时起到完整保护。此外, 802.3af标准的POE功能简化了现场设备, 使户外电源布线更为简单。这些功能可以使户外局域网变得更可靠, 覆盖的范围也更宽广。

3 工业无线网络技术拥有更快的速度、更多的数据、更广的应用

在工业自动化不断发展的今天, 网络上会传输大量的数据, 无线应用对网络的带宽和可靠性的要求也更高。802.11n网络的出现大大解决了这个问题, 它不仅可以提供更快的数据传输速率, 也可以提供更稳定的连接。

802.11n网络拥有最高可达300 Mbps的带宽, 提供了高速的数据传输、广大的无线覆盖以及稳定的数据连接。采用MIMO技术 (多入多出) , 在物理层 (PHY) 支持通道结合40 MHz运行方式, 实现更高的带宽, 减少干扰, 增强连接。此外, 它还增加了在MAC层的帧聚合, 确保流量聚合支持视频流数据。这两者结合起来满足了下一代应用对更高吞吐量的需求。因此, 使用千兆以太网络进行连接, 可以最大限度地提高无线到有线的性能, 更好地支持大量带宽的应用。

3.1 802.11n网络的关键技术、速度和稳定度

3.1.1 MIMO技术

MIMO技术是802.11n网络物理层中强化数据传输的关键技术。MIMO技术简单来说, 就是在发射端和接收端均采用多天线 (或阵列天线) 和多通道的一种数据传输技术。无线电信号通过反射对象创建多个路径。在传统情况下, 这将导致无线电信号的干扰和衰落, 但MIMO技术充分利用了多路径现象。在发射端, MIMO采用空间复用技术, 可在同一信道里同时发送多路数据流, 因此可以提高数据吞吐量和发射功率。在接收端, MIMO技术可将多个信号合并成一个单一的信号, 消除多径衰落的影响。MIMO技术实际上是利用了无线电反射来提高无线的覆盖范围和网络的可靠性。

3.1.2通道结合40 MHz运行方式

在数据传输过程中, 大量的数据传输主要依靠信道带宽的大小, 将2个或更多的通道进行结合, 就可以为数据传输提供更大的信道带宽。802.11n网络采用通道结合技术, 将2个20 MHz的信道合并成1个单一的40MHz信道, 并同时支持2.4 GHz和5 GHz, 这样就可以确保大量的数据传输。

3.1.3帧聚合

802.11n网络设备的每帧负载运行限制了有效的数据吞吐量。通常为了减少负载, 802.11n采用帧聚合的方式, 即在1个单一传输过程中增加数据包的多次传输。有了这个机制, 相比多个数据包产生的多次负载而言, 只会产生1次负载, 大大降低了平均数据的延迟时间, 增加了802.11n无线局域网的吞吐性能。

4 工业无线网络技术的网络零延时漫游

零延时漫游的目标是当客户端从一个AP切换至另一个AP时, 仍能保持无线通讯。随着实时流媒体的应用增加, 实时数据传输的应用变得越来越流行, 因此减少在不同AP之间切换的延迟时间就变得很重要。这个切换过程主要包括关联、认证和加密。通常这个过程需要几百毫秒, 有时甚至高达几秒钟, 这对实时性要求极高的应用来说, 是一个必须要克服的问题。而若客户端经常移动, 则必须频繁切换AP, 就会产生更大的问题。如何快速、安全地进行连接切换是判断损失能否降低至最少的关键因素。

新一代Turbo Roaming快速漫游技术的超强的漫游能力为网络提供高速安全的连接切换功能。因此, 支持Turbo Roaming快速漫游技术、有高度的主动认证和加密机制的无线控制器诞生了, 如Moxa的WAC-1001无线控制器。这种无线控制器可在50 ms或者更少的时间内快速漫游, 即使在极其苛刻的环境下仍能提供安全可靠的数据连接。

在基本的漫游方式下, 客户端负责信号切换。当客户端检测到当前信号减弱, 它就开始寻找下一个AP信号来代替当前的AP信号。然而, 一个更先进的漫游方式是通过搜索AP信号进行再连接、再认证的方式, 使搜索的时间缩减到最小, 进而缩减切换时间。为了顺利实现切换, 无线控制器可预先认证客户端, 允许其可以在接下来的无缝漫游时, 无需重新验证。这种机制大大降低了因重新认证而产生的延迟时间, 提高了传输速度和应用的可靠性。

5 工业级蜂窝网络

工业级蜂窝网络是专为在无线广域网 (WWAN) 中, 串口设备和网络设备需经过蜂窝网络进行通讯的应用而设计的。它适用于范围更广的远程应用, 包括无线蜂窝路由器、无线蜂窝IP网关和GSM/GPRS Modem等产品, 可适用于GSM/GPRS/EDGE、UMTS/HSDPA以及WCDMA等移动通讯技术。

当蜂窝网络发生信号衰减、干扰或连接终止时, 传统的蜂窝路由器是无法发出警报的。而GuaranLink技术的实现可确保蜂窝网络始终处于连接状态, 并提供预防功能, 确保网络连接的稳定可靠。

无线蜂窝路由器可以与VPN结合, 因为VPN允许计算机使用一个虚拟IP地址来连接至互联网。与私有网络不同的是, VPN节点间的连接使用开放式网络连接或互联网中的虚拟网络。在VPN的帮助下, 作为VPN客户端的蜂窝设备可以发起一个连接至VPN的服务器。当连接建立后, 蜂窝设备就可以在同一个私有网络中与其他网络设备进行通讯, 也可以将私有网络安全地接入公共网络, 这样就大大提高了工业无线网络的应用。

6 结语

802.11n网络支持稳定可靠的实时视频、音频和数据传输;多链路冗余技术确保无线网络始终在线;快速漫游技术可以确保无线设备在运动状态下的无缝连接;无线蜂窝路由器与VPN结合等技术的运用都是工业无线网络在数据传输中的可靠性保证。同时, 工业无线网络技术也在不断突飞猛进地发展, 市场预测在不久的将来, 利用工业无线网络来进行数据传输将占主导地位。

摘要：介绍了工业无线网络的工作原理, 并对工业无线网络技术运行的可靠性、冗余性、高带宽性以及新技术的运用和发展状况进行了详细探讨, 从而认识到工业自动化网络技术革新的必要性。

关键词：网络,可靠,冗余,高带宽,技术

参考文献

[1]张彦, 罗济军, 胡宏林.无线网状网:架构、协议与标准[M].电子工业出版社, 2008

[2]曾鹏.工业无线技术的标准化与应用[J].中国仪器仪表, 2008 (3)

无线工业网络 篇2

作者：lop

也许过不了多久，在距离用户更广的区域，你将看不到那条熟悉的网线。

无线局域网的应用方便和部署简单等特性已经为人们普遍接受，在个人用户、中小企业等用户中已经获得广泛应用。

然而，从网络结构上看，传统的WLAN还仅仅是一种单一的星型网络连接，即AP与AP之间均为末级网元，设备和设备之间、用户和用户之间的通信最终还要经由上联的有线网络的交叉连接来完成。

这样的网络结构在覆盖规模的扩展上必然受到一定的约束。那么，可不可以在AP和AP之间直接进行信息交换，就可完成通信任务呢?这样，网络的扩展性必将大大提升!答案是肯定的，这种网络的名字就叫做无线网状网络――WMN(WirelessMeshNetwork)。

“有了WMN，除了服务于传统WLAN应用，更重要的是为运营商带来了机会：他们可以通过我们的设备方案铺设一个很大的网络。”金永哲说，他是北电网络大中国区无线接入产品市场总监。“而且从成本上讲，WMN肯定比3G网络建设要低。”随着高速无线数据网络对语音类业务支持的能力逐渐加强，已有越来越多的运营商开始关注这一技术。“你可以用WMN铺网，也可以用3G，它们都有面临选择的问题，业界也有不同的观点。”

看清WMNAP与AP之间通过无线方式“直达”，无需有线“中转”，是WMN同传统无线网络方式之间最大的区别。从网络构成来看，WMN不再是以往的星状网络连接，即一个中心点，而是AP间以完全对等的方式连接。因此，这大大增加了网络部署中的延展性。如果说传统WLAN仅仅是一种适合室内应用、相对封闭式的网络，则WMN可以使其更加开放。WMN，因其具有宽带无线汇聚连接功能，有效的路由及故障发现特性，无需有线局域网资源等独特的优势，正受到越来越多的关注，

值得一提的是，由于具有自动发现拓扑及网络错误路径重路由等特性，WMN更加适合大面积开放区域的覆盖，为那些临时场所及无法铺设有线局域网的地区找到一种有效的替代型技术。比如在一个大的园区网络中，对于新增区域，只需要增加几个网元，整个网络就能自动生成新的网络拓扑结构，而自动发现错误并重新路由功能也避免了很多繁琐的配置工作。通过WMN，不再是“小打小闹”，而是可以将WLAN扩展为更大的社区网络。此外，借助WMN组网，能够为企业节省大量的E1线路，从而降低运营维护成本。

新技术保驾护航

这样的诱惑，自然吸引了传统通信巨头的关注，其中就包括以光通信及无线见长的北电网络，而按照北电网络自己的说法，他们是目前唯一能够提供WMN解决方案的电信级设备供应商。

据金永哲介绍，WMN的核心技术是OFDM(正交频分复用)，采用多个次载波来承载信号。用户数据在多个载波中被编码，多个次载波之间以正交方式重叠，从而互相之间不产生干扰。

OFDM技术可用于多种无线网络系统，如802.11x、802.16x、802.20等。而同CDMA技术相比，OFDM具有更高的频谱利用率(2倍于CDMA，加载MIMO多进多出技术后则能达到4倍);更强大的系统能力，多通道间的干扰更小;更简易的接收装置，成本更低。

“通过接入和传输在空间和频率上分开，北电的无线网状网系统能够最大限度地减小干扰。”金永哲表示，在北电现有的WLAN、WMN中传输和接入链路分别采用了802.11a(5GHz)和802.11b/g(2.4GHz)。不同频段工作，实现不同层次之间的有效区隔。

在通信领域，技术的发展越来越表现出市场应用多元化的特点。任何单个技术包打天下似乎都不实际。宽带接入也是一样，有人喜欢DSL，有人衷情FTTH，而选择无线方式也是一种趋势。传统WLAN难以独当宽带接入大任，新的WiMAX、无线城域网及无线网状网的出现给这一市场注入了一只强心针。虽然相关的产品尚在不断成熟、完善中，但是也许就在不久，选择有线宽带还是无线宽带，将真正成为摆在运营商及广大用户面前共同的具体而现实的选择。

工业无线遥控器在电厂的应用 篇3

关键词：手动控制器；工业无线遥控器

中图分类号：TH230 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）06-0042-02

1 闸门电动葫芦控制回路存在的问题

我公司检修闸门HCG型电动葫芦由梅州电机厂生产，检修闸门于1994年12月、尾水闸门于1991年2月投入运行，由于闸门控制回路使用年限较久，控制回路的备品备件已难以寻找，这给维护工作带来很大困难。同时，控制回路元器件老化导致控制回路动作可靠性降低，使得控制回路存在较大的安全隐患。而且，原来的电气控制回路设计不够合理完善，不符合行业标准，缺少防冲顶，防过操作电气闭锁功能。

另外，设备的安全防护等级低，特别是操作人员采用手动控制器操作时危险性较大。因为操作时，操作员手里拿着控制器，控制器通过电缆与 10 m高的电动葫芦控制箱相连，这样就限制了操作员必须在一条狭小的直线范围内活动，而这条狭小的直线中又有高和矮的障碍物，还有坑洞等，有时要绕过去，有时又要跨过去，从而造成操作员不能集中精力操作，而且需要多人配合完成操作，使得操作精确度大打折扣，也使人身和设备安全受到严重威胁，对公司的安全生产非常不利。

2 工业无线遥控器控制回路设计

2.1 工业无线遥控器系统组成、动作过程和使用优点

工业无线遥控器由发射器和接收器组成。接收器安装在被控设备上，发射器由人在远距离操作。发射器上的按钮动作，通过无线电波，传送给接收器，接收器上的对应继电器反映发射器的按钮动作，输出并控制被控设备的运转。

使用工业无线遥控器可以使操作人员活动范围大，既可以近距离观测目标，也可以远离危险场所；遥控器可以随身携带，使用方便；使用工业遥控器操控精准，一个人既可以近距离观测目标，又可以远距离控制设备，不需要两个人配合，可以实现精准操控；在目标面前操作，无盲点；可以提高生产效率，两个人的工作，一个人干；无须两个人之间的联系，提高工作效率；安全，可靠；既可以连续信号，系统运行中，发射器与接收器之间始终保持联系，而当信号一旦中断，接收器立即自动停机，保证生产安全；无线电信号没有方向性，能够跨越障碍物。

2.2 控制回路设计

针对检修闸门、尾水闸门工作环境和对安全的要求，控制系统采用数字编码技术的工业遥控器，并增加左钩上升和下降限位、右钩上升和下降限位、左行限位、右行限位保护，回路还要采用完善的电气互锁设计，防止误操作，同时考虑到遥控器可能失效的情况，保留手动控制器作为备用，回路增加远方遥控/就地手动操作切换功能。控制回路设计图，如图1所示。

2.3 工业无线遥控起的选择

本控制回路关键技术在于利用可靠的工业无线遥控器。所以选择优良的工业无线控制器是关键。根据电动葫芦的工作环境，工业无线遥控器应满足以下条件：

①要求遥控器能在长时间、高负荷环境下安全，持久操作；

②要求遥控器必须耐摔，防水，防尘；

③要求遥控器能够抗拒高周波杂讯的干扰，并具有自动频率校正等安全防护功能；

④按钮接点动作可靠、敏捷，耐用；

⑤为了简化控制回路器具和中间环节，避免需额外提供电源给接受器，减少中间继电器的使用，接收机使用交流380 V电源，接收机的开出继电器接点容量应不小于AC 380 V/5 A；

⑥手持发射器重量轻，符合人体工学设计。

⑦每套系统（发射器和接收器）具有独一无二的信号加密编码，不会受其它系统的影响或影响其它系统。

根据以上条件，我们选用了三易公司生产的APOLLO（阿波罗）工业无线遥控器。APOLLO（阿波罗）系统发射外壳有防尘防水保护， 抗油污，耐撞击及全天候性；接收机采用双重安全保护设计，当CPU受到外在电波干扰时，所有输出均自动断开， 使设备更加安全；采用单相共模无接地式EMI抗杂讯电路， 可有效防止人为疏失所造成接地不良， 继而导致接收机之故障，同时并可减轻装机之负担；按键采用积木式组合，灵活度高；按键开关采用长冲程镀金开关，高灵敏度，高耐用；发射外壳采用PA工业级尼龙材质，耐衝击，防尘，防水；使用国际标准压入旋出急停键开关，安全可靠；收/发皆为隐藏式天线，不易受外力折损； 接收器的开出继电器容量为AC 380 V/5 A，接受器工作电源为AC 380 V。

3 检修闸门、尾水闸门控制系统的特点和功能

①应用可靠的数码智能工业遥控器，采用数字编码技术，具有很好的抗干扰性能，能在各种恶劣的环境下工作；

②采用双重安全保护设计， 当CPU受到外在电波干扰时，所有输出均自动断开，设备更加安全；

③控制回路增加左钩上升和下降限位、右钩上升和下降限位、左行限位、右行限位电气保护，防止发生冲顶、冲底事故等；

④回路采用完善的电气互锁设计，防止发生误操作；

⑤系统具有可靠灵活的的遥控控制和现场手动操作等功能，在遥控失效时，将手动控制器插上航空接头切换到就地就可实现手动控制器控制。

4 结 语

投运以来装置运行正确可靠，解决了旧装置可靠性差，故障多，维护成本高，监视操作不方便等缺点，没有出现过故障，极限保护的安装方式选择正确，回路动作可靠，操作方便可靠安全，使用人员反映良好，大大减轻他们的劳动强度，避免了因操作不当而导致的不可遇事故，避免了因操作员使用手动控制器不能同时顾及操作和自身安全引起的人身、设备事故。运行情况表明，装置本身故障率为零，降低了维护成本和劳动强度，确保了定轮闸门以及机组检修的安全，保证检修设备及人身安全，保证检修工期不延误，取得了良好的社会及经济效益。

参考文献：

[1] 郑云.关于无线遥控器技术在起重机上的应用研究[J].世界华商经济 年鉴·城乡建设，2012，（8）.

[2] 谭润源.利用工业无线遥控及变频技术改造电厂叶轮给煤机[J].电世 界，2004，（7）.

单片机和工业无线网络 篇4

关键词：单片机 (MCU) ,工业无线网络,ZigBee,SoC

如同今天的许多通用单片机 (MCU) 已经把USB、CAN和以太网作为标准外设集成在芯片内部一样, 越来越多的无线网络芯片和无线网络解决方案也在向集成So C方向发展, 比如第一代产品, Nordic公司n RF905, Chipcon公司cc1010他们集成了8051兼容的单片机.这些无线单片机适合一般的点对点和点对多点的私有网络应用, 如单一产品的遥控器和抄表装置等。无线通讯技术给智能装置的互连互通提供了便捷的途径, 工业无线网络作为面向工业和家庭自动化的网络技术也正在向着智能, 标准和节能方向发展。

典型的工业无线网络

目前在工业控制和消费电子领域使用的无线网络技术有Zig Bee、无线局域网 (Wi-Fi) 、蓝牙 (Blutooth) 、GPRS通用分组无线业务、ISM、Ir DA等, 未来还能有3G、超宽频 (UWB) 、无线USB、Wimax等。当然还有大量的私有和专用无线网络在工业控制和消费电子装置中使用, 其中Zig Bee、GPRS是在目前在国内工业控制中讨论和使用比较多的两种, 蓝牙和无线局域网是在消费电子产品如手机、耳机、打印机、照相机和家庭中小企业网络中广泛使用的无线协议 (个别工业产品也有应用, 如无线视频监控和汽车音响系统) , 当然私有无线网络技术和产品在工业也有很多的应用。

Zig Bee是一个低功耗、短距离和低速的无线网络技术, 工作在2.4GHz国际免执照的频率, 在IEEE标准上它和无线局域网、蓝牙同属802家族中的无线个人区域网络, Zig Bee是有两部分组成, 物理和链路层符合IEEE802.15.4, 网络和应用层符合Zig Bee联盟的规范。Zig Bee联盟 (www.zigbee.org) 是在2002年成立的非盈利组织, 有包括TI、霍尼威尔、华为在内两百多家成员, Zig Bee联盟致力推广兼容802.15.4和Zig Bee协议的平台, 制定网络层和应用架构的公共规范, 希望在楼宇自动化、居家控制、家用电器、工业自动控制和电脑外设等多方面普及Zig Bee标准。

GPRS是在现有的GSM网络发展出来的分组数据承载业务, 它工作在标准的GSM频率, 由于是一个分组交换系统, 它适合工业上的突发, 少量的数据传输, 还因为GSM网络覆盖广泛, 永远在线的特点, GPRS特点适合工业控制中的远程监控和测量系统。在工业控制应用中GPRS芯片一般是以无线数传模块形式出现的, 它通过RS232全双工接口和单片机连接, 软件上这些模块都内置了GPRS, PPP和TCP/IP协议, 单片机侧通过AT指令集向模块发出测试, 连接和数据收发指令, GPRS模块通过中国移动cmnet进入互联网和其他终端或者服务器通讯。目前市场常见的模块有西门子G24TC45、TC35i, 飞思卡尔G24, 索爱GR47/48, 还有Wavecom的集成了ARM9核的GPRS So C模块WMP50/100。GPRS模块有区分自带TCP/IP协议和不带协议两种, 一般来讲, 如果是单片机侧有嵌入式操作系统和TCP/IP协议支持的话或者应用的要求只是收发短信和语音功能的话, 可以选择不带协议的模块。

无线单片机

先进的So C技术正在无线应用领域发挥重要的作用。德州仪器收购了Chipcon公司以后发布的CC2430是市场上首款So C的Zig Bee单片机, 见图1, 它把协议栈z-stack集成在芯片内部的闪存里面, 具有稳定可靠的C C 2 4 2 0收发器, 增强性的8 0 5 1内核, 8KRAM, 外设有I/O口, ADC, SPI, UART和AES128安全协处理器, 三个版本分别是32/64/128K的闪存, 以128K为例, 扣除基本z-stack协议还有3/4的空间留给应用代码, 即使完整的Zig Bee协议, 还有近1/2的空间留给应用代码, 这样的无线单片机除了处理通讯协议外, 还可以完成一些监控和显示任务。这样无线单片机都支持通过SPI或者UART与通用单片机或者嵌入式CPU结合。2008年4月发表CC2480新一代单片Zib Bee认证处理器就展示出和TI MSP430通用的低功耗单片机结合的例子。

工业控制领域的另一个芯片巨头——飞思卡尔的单片Zig Bee处理器MC1321X的方案也非常类似, 集成了HC08单片机核心, 16/32/64K闪存, 外设有GPIO, I2C和ADC, 软件是Beestack协议, 只是最多4K RAM对于更多的任务显得小了些。但是凭借32位单片机Coldfire和系统软件方面经验和优势, 飞思卡尔在满足用户应用的弹性需求方面作的更有特色, 它率先能够提供从低-中-高各个层面的解决方案, 见图2。

以Wavecom为代表的GPRS So C无线单片机同时在演绎着GPRS无线处理器的革命, 如WMP50是一个带有四频GSM网络无线通讯工业处理器, 内置了ARM9 CPU, 支持128K闪存, 128K RAM, 外设有11个GPIO, I2C, SPI, 5X5键盘, 2个UART, USB 2.0并口, ADC, DAC等。WMP50内部有一个可强制的实时多任务操作系统, 它支持应用任务工作在比GPRS任务高优先级的方式, 即能保证控制响应要求。总之无论是GPRS无线单片机, 还是Zig Bee单片机都在朝着更低成本, 更标准化和更高性能的方向发展。2007年4月, 后起之秀jennic推出了5美元zigbee/IEEE802.15.4参考设计, 这个价格是包括了JN513932位无线单片机PCB天线设计和其他辅助器件的BOM成本, 据称RF性能能够达到1公里的距离。

无线单片系统

无线单片机配合C语言开发调试工具可以胜任一个传输或者接收模块的系统设计, 比如使用CC2430, IAR公司embedded workbench (EW) 编译调试工具和TI公司zstack的simple API设计的一个无线传感节点, 用户可以使用针对无线传感网络的Tiny OS, 或者uc/OS-II, 或者不使用嵌入式操作系统, 再比如无线远程抄表终端, 你可以使用MSP430或者CYGNAL C8051或者HC08单片机和一颗无线数传模块, 如G24, 开发工具可以使用KEIL IDE或者IAR EW430/8051, 或者是codewarror, G24内置了TCP/IP和GPRS协议, 通过使用AT指令的测试, 接入互联网, 连接服务器, 收发数据的操作完成GPRS无线通讯的任务。单片机通过传感器完成电表数据采集任务。但是如果你计划设计一个智能家居的通讯节点的时候, 这样的无线单片机就不能够满足需求了, 因为这样的节点除了它们是通过Zig Bee网络采集室内环境 (如温度, 湿度) , 电、水和气三表的数据, 家用电器开关和家庭安全报警外, 另外一个很重要的功能是这个节点还应该通过有线以太网络, 或者无线Wi-Fi网络连接家庭服务器, 这个服务器是家庭PC、电视、录像, 音响的核心, 智能家居的通讯节点、家庭服务器和互联网 (小区宽带) 路由器组成一个家庭网络系统。

要设计实现这样的通讯节点是需要一定的系统软件支撑和一定开销的处理器能力, 因为它是工业装置, 它的可靠性、安全性、功耗和易操作要求就比家用电器严格得多, 目前看到的设计方法有这样两种, 一种是使用一个大规模的嵌入式操作系统, 如L i n u x、Win CE, 它们有良好的网络和设备驱动支持能力, 代价是需要一个ARM9以上MMU嵌入式处理器, 32M以上存储空间和32M以上执行空间 (Win CE要求可能还更高) , 比如业内领先的无线传感网络平台公司Crossbow的imote2 (汇聚节点) 使用Marvell 416 MHz PXA271处理器和一个TI公司Zig Bee收发器, 这样的设计好处是明显的, 但是随即可能的问题是如何控制好系统的功耗和可靠性, 工业无线网络多数安放在一个无人值守场地, 还可能是一个恶劣自然环境, 无论是开源Linux, 商业嵌入式Linux, 还是Win CE电源管理技术都还不很完善, 系统引导和恢复的功能和时间都还不能完全满足工业控制应用的要求。取而代之的另外一种方式是目前多家MCU半导体公司推荐的方案;硬件是ST、NXP的ARM单片机和Freescale coldfire单片机, 比如M C F 5 2 3 3 5, 系统软件是Interniche公司和Freescale合作的Nichelite coldfire TCP/IP Lite一个针对coldfire免费的轻量级的嵌入式TCP/IP软件, 它包含了TCP, UDP, ICMP, DHCP (用户端) , TFTP和一个简单的非抢占的RTOS (www.freertos.com) , 大约只有20K的代码, 加上Freescale的Web server, Flash文件系统, 对于工业网络汇聚点应用是可以满足的了。当然如果这些免费的软件模块还不能满足应用的要求, Interniche还有PPP, SNMP, DHCP (服务器) , FTP服务器, IPSEC, RTP等模块选择, 甚至升级到全功能版本的nichestack。ST ARM、NXP LPC单片机也有基于Nichelite类似的解决方案。这个方案的好处是M C U可以使用低主频的A R M/coldfire Flash单片机, 起到降低功耗和增加可靠性作用, 系统软件由半导体公司免费授权给用户, 这样用户只要购买常规的单片机开发工具, 如I A R E W, A R M M D K, Codewarrior就可以完成一个工业网络通讯节点的设计任务, 开发难度和产品整体核算成本要低。

更近一步的看, 传统的单片机正在大踏步的进入工业无线网络领域的各个方面, 除了前面的So C单芯片无线单片机外, 比如最近TI的Simplic TI, 一种TI私有的射频网络, 也可以说是一种简化的Zig Bee网络方案。比较起Zig Bee协议, Simplic TI支持点-点和星型网络, 代码只有4K, 结构和使用都很简单, 一颗TI MSP430 16位单片机加上RFCC1100/CC2500就可以组成一个烟感, 瓦斯泄漏报警和抄表节点设计, Simplic TI的开发目前还是一个典型的单片系统, 使用IAR EW430工具, RF协议软件和库程序都是由TI免费提供源代码, Simplic TI的API只有6个函数;初始化, 连接和监听, 发送和接受, 配置, 配置参数简单明了, 包括有频率, 安全令牌, 网络拓扑 (点-点、星型) , 电源管理和内存分配。瑞典IAR公司最近移植Powerpack RTOS和支持MSP430单片机的开发, 这使得在RTOS支持下430无线节点设计功能可以再复杂些, 设计的弹性也大。图3是Simplic TI开发板, chipcon radio interface你可以安装CC1100/2500器件。TI资料显示, 未来Simplic TI还支持CC2430这样的Zig Bee无线单片机升级CC2430支持Simplic TI还意味着TI对无线网络支持更加宽泛和灵活, 升级换代方便了。

结语

无线技术是未来嵌入式系统发展最快速的领域之一, 单片机是嵌入式和工业控制系统最传统的核心部件, So C和微电子制造工艺的发展推动单片机的变革, 无线技术和应用是单片机发展的一个热点, 是包括TI, Freescale, ST, NXP, Atmel, Microchip这些工业芯片半导体巨头和专业无线公司Ember, Jennic, Nordic角琢的重要舞台。无论是把射频器件和单片机核心集成在一起的So C无线单片机, 还是单片机加上射频器件或者射频单片机的无线单片系统, 都将嵌入在在未来形形色色电子设备里。工业控制系统的无线网络由于其行业的特殊性, 决定选择一种无线网络技术的因素很多, 如通讯范围、环境干扰、连接方式、速率和功耗等, 但会逐渐的从私有模式向通用方向迈进。正如今天我们看到的以太网和CAN总线是新一带工业设计的主流网络一样, 在工业控制系统里采用标准无线网络, 比如今天我们能够看到的Zig Bee, GPRS, Wi-Fi, Blutooth的应用将越来越多, 未来将是大势所趋。

但是, 需要指出的是, 在某些特殊的环境和条件下, 短波和卫星通讯方式依然在工业无线网络中使用, 比如此次四川汶川地震后水情自动测报系统, 就是由北斗卫星, 卫星终端, 传输设备和太阳能供电装置组成, 实现了在地震灾区这样基本通讯方式无法保证的环境下, 远程工业无线网络设备正常工作。

参考文献

[1].李文仲, 段朝玉编著, ZigBee无线网络技术入门与实战, 北京航空航天出版社出版社

[2].TI　公司, 2008TI　亚洲技术研讨会资料

[3].　http://www.xbow.com/

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无线工业网络 篇5

链接：blog.csdn.net/erway/archive//02/11/2088519.aspx

正文：

也许有不少朋友遇到过下面这两种情况：

你和同事一起出差，同住一间房，但是宾馆的房间里只有一条网线，只能允许一台电脑上网，又没有无线网络设备・・・・・・这时该怎么办呢？

家里有一条ADSL宽带（当然不仅限于ADSL，其他接入方式也可），没有无线路由器，但是却有两台以上的电脑要同时上网，该怎么办呢？

在Vista出现以前，如果遇到这种情况，也许就只能让一台电脑上网，但是Vista出现以后，即使没有无线网络设备，也能让两台或多台电脑同时上网，在介绍如何解决上述问题之前，我们先来总结一下上述两种情况中的网络环境，以有助于该方法是否真的适合你。

没有无线路由器等无线上网设备

有一台电脑可以上网

所有电脑都有无线网卡，而且主机还必须具备有线网卡

主机应该安装WindowsVista操作系统，其他电脑最好也安装Vista，如果是其他操作系统，也可以按下面的方法进行相应的操作。

基本的原理是这样的，先让一台电脑（称该电脑为主机）连接到Internet，并共享该Internet连接，然后再在该电脑上建立一个临时无线网络，其他电脑通过访问该临时无线网络就可以连接到Internet，具体操作步骤如下所示。

1.建立临时无线网络

依次打开控制面板→网络和共享中心→设置连接或网络，打开的对话框如图1所示。

在图4中选择连接选项――“设置无线临时（计算机到计算机）网络”，然后接连点击两次“下一步”，弹出的对话框如图2所示。

在图5的基础上继续点击“下一步”，即可完成该临时无线网络的设置。

2. 将其中一台电脑连接到Internet

无论使用的是何种形式的网络服务（ADSL等），首先让主机连接到Internet，并确认网络正常连接。

3.共享该Internet连接

主机连接到Internet后，依次打开控制面板→网络和共享中心，弹出的对话框如图3所示。

在左侧的“任务”列表中选择“管理网络连接”，弹出的对话框如图4所示。

在图4中找到该电脑上宽带连接，即有线网络连接，我在试验时用的有线网络连接名称是“宽带连接2”，

右键打开该连接的属性，打开“共享”标签页，如图5所示。

如图5所示，勾选第1项和第3项，主机的Internet连接已经共享，可以被其他电脑访问。注意，如果是第一次设置共享，该设置在下一次连接时才会生效。也就是说，如果想该连接立即生效，必须先将该网络断开，然后再重新连接。

在设置时需要注意，如果两台电脑都运行了WindowsVista，那么网络名称可以使用中文字符，但如果有电脑运行其他操作系统，为了能正确显示名称，建议名称中只使用英文字母和数字。

此外，在选择安全类型时也需要注意，可选的安全类型取决于无线网卡支持的无线标准，不能因为主机的网卡支持更高的标准而直接使用更高的安全类型，因为还需要保证其他电脑能够通过无线网络与该主机连接。因此，在选择无线标准时，只能选择所有电脑全部支持的标准。如果你对无线网卡支持的无线标准不太清楚，该如何设置呢？不知道其实也不要紧，我们可以启用“无身份验证（开放式）”安全类型，如图5中所示。

如果选中“保存这个网络”选项，这个网络会被Windows保存下来，这种情况适合需要多次访问的时候。但如果只使用这一次，也可以不保存这个网络。

4.让其他电脑连接到该“临时无线网络”

到现在为止，主机的设置已经全部就绪，此时只要其他电脑搜索到该“临时无线网络”，然后连接到主机即可。依次点击控制面板→网络和共享中心→连接到网络，在弹出的对话框中即可看到该“临时无线网络”，如图6所示。如果没有看到，请确认主机上的“临时无线网络”是否已经连接，如果没有连接，必须先连接。

其他电脑与主机连接好后，所有电脑都可以连接到Internet了！

上面这种方法使用的是Vista中的P2P技术，也许很少有人关注，但是这却是一种很实用的技术。无线临时网络是WiFi无线网络的一种工作模式。WiFi无线网络有两种模式：自由直连（Ad Hoc）和基站访问（Base Station）。通常我们在公司或者家里连接无线网络大部分都属于基站访问模式，这要求必须有一台网络设备能够提供无线接入服务，例如无线路由器、无线交换机等。但是在自由直连模式下就简单得多，完全不需要任何无线网络设备，所有兼容WiFi无线网络的客户端设备之间都可以创建一个无线网络，并利用这个网络完成基站访问网络可以实现的所有功能。

如果这不是一次性连接，也就是说需要在某一段时间内都用这种方式上网，那么除了在图2中“保存这个网络”外，每次断开网络重新连接时，都需要按顺序执行如下操作：

(1)确保所有电脑的无线网络都已经启用；

(2) 确保主机已经正常连接到Internet；

(3)确保主机上的“临时无线网络”已经正常连接（每次都需要重新连接）；

(4) 确保其他机器连接到“临时无线网络”（每次都需要重新连接）。

无线工业网络 篇6

Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术, 主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等对数据传输速率要求不高、对功耗敏感的领域。因此, 本文采用该协议进行工业环境检测的无线传感网络设计, 并对网络的性能进行测试。

1 工业环境检测无线传感网络设计

该无线网络为一个星形无线传感器网络, 它由一个主控机来控制网络运行, 其组成部分包含无线通信模块、微控制器模块和各种传感器。设计中, 主控机模块采用ATMEL公司的高性能AVR单片机组建, 包含输入输出的人机界面、传感器数据传输无线接口、通信接口。无线通信模块采用Nordic的n RF905芯片设计而成, 其工作频率为ISM频段, 可自由配置。其余传感器节点采用ATMEL的ATmega16L单片机组建。

网络系统框图如图1所示, 系统中只有唯一的主机节点, 其余为众多的从机节点 (传感器节点) , 主机发布指令信息逐一读取各个传感器节点的物理信息, 如温度、湿度、气体等。

1.1 网络节点设计

1.1.1 芯片选择

系统的主控芯片选择了ATMEL公司性价比极高的AVR高档8位低功耗微控制器——ATmegal16L;通信选择了基于n RF905芯片433MHz的无线通信模块;在各节点处的电源选择了3.3VDC左右的电池供电, 在主机也可以选择基于AMS1117芯片的3.3VDC供电;各节点的传感器可根据需要自由选择。

1.1.2 供电电源模块硬件设计

本设计所需的电压为3.3V, 故采用LM1117-3.3电源供电系统 (见图2) 。无线发送模块以及各传感器测量模块使用的器件皆为低功耗器件。对发送端而言, 可以采用5V电池供电, 很适合在野外等环境进行温湿度测量采集。而接收端可以采用5V开关电源供电。其核心部件LMl117-3.3是一个低压差电压调节器系列。压差在1.2V输出, 此时相应的负载电流为800m A。

1.1.3 节点硬件设计

传感器节点由ATMEL公司的Atmega16L承担主控任务, 通过AD接口连接传感器的输出端。ATMEGA16L通过RF接口与n RF905无线通信模块进行数据交换。传感器节点示意框图如图3所示。

在传感器节点电路中, 节点的n RF905通信模块轮训等待主机的start信号, 当接收到起始信号后, 微控制器打开AD转换, 等待预定的时间后n RF905再将传感器信息发回给主机, 然后节点再次轮训, 等待下一个start信号。

1.2 主机设计

系统包括2个移位寄存器和1个主机时钟发生器。通过将需要的从机的SS引脚拉低, 主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应的移位寄存器。主机在SCK引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机的数据从主机的MOSI移出, 从从机的MOSI移入;从机的数据从从机的MISO移出, 从主机的MISO移入。主机通过将从机的SS拉高实现与从机的同步。

2 测试结果及结论

2.1 基于Zigbee技术的工业环境检测的无线传感器测试网络

基于Zigbee技术无线传感器测试网络是一个简单的星形网络, 其组成为1个协调器, 3个终端节点。在使用过程中3个终端节点分别连结18B20数字型温度传感器、MQ-3型酒精气体模拟传感器、红外传感器等 (见图4) 。

在测试使用环境中采用了3个传感器节点和1个协调器节点组成星形网络。3个传感器节点分别采用3种不同类型的传感器来采集不同的物理量。

最后, 协调器节点通过UART接口 (RS232总线) 将读取到的信息传送到计算机显示。在测试环境中协调器节点每隔10秒钟读取一次各个传感器节点数据, 然后传送给计算机显示。如果没有节点数据传送则协调器节点重复读取该节点数据, 如果3次都没有读取到数据则认为该节点故障, 并通过串行口在计算机上显示。

2.2 测试结果

测试结果如表1所示。

2.3 结论

通过测试表明:该无线传感网络实现了所有任务要求, 并且性能稳定。组网速度快, 响应时间短, 能实现对外界环境的监控和对外界信息的集中收集并处理。

参考文献

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[2]孙利民, 李建中, 陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.

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[4]黄少昱, 曹阳, 王悦伟.无线传感器网络中的路由技术[J].计算机工程与应用, 2004 (40) :123-126.

[5]Sinha A, Chandrakasan A.Dynamic power management in wireless sensor Networks[J].IEEE Design and Test of Computer, 2001 (2) :6-74.

工业无线网络在港口管理中的建立 篇7

关键词：集装箱码头,无线网络,信息化

随着科技的发展以及信息化程度的提高, 现今很多的集装箱码头都通过建立相应的无线网络系统构建出连接整个港口机械设备的数据链接, 通过使用无线网络实现各机械设备与控制中心之间的信息传递, 对于实现港口机械设备的协调调度有着十分重要的意义。

1 集装箱码头作业信息化管理系统

现今在集装箱码头完成集装箱的装卸、运输以及调度主要依靠的是远程信息链接所建立起来的信息化管理系统。这一系统主要由集装箱作业调度指挥系统、集装箱监控管理系统以及远程监控管理系统 (RCMS) 几个子系统组成。

1.1 集装箱作业调度指挥系统

此系统通过采用图形化和字符相结合的方式对集装箱码头中的泊位、堆放空间以及集装箱吊装设备等通过采用相应的优化算法对以上这些资源进行了统筹、全盘的考虑。并充分考虑了集装箱码头中的各种吊装、运输机械各自的特点, 实现了设备的统一调度。

1.2 集装箱监控管理系统

通过采用此系统, 实现了集装箱码头中对所使用的机械设备完成对于集装箱摆放位置、动态跟踪以及过程控制等多方面的管理, 通常采用了此系统, 实现了对于码头机械设备操作人员的信息共享, 提高了机械设备的生产作业效率。

2 集装箱码头的无线网络系统

在集装箱码头的管理过程中, 由于各集装箱码头机械设备距离较远且处于运动状态, 集装箱码头上的各个作业机械设备的运动多采用的是轨道或是汽车、卡车等方式, 传统的有线信息传递无法满足对于信息传递的需求, 因此需要依靠无线网络来实现上述所介绍的装箱作业调度指挥系统、集装箱监控管理系统以及远程监控管理系统来对于整个集装箱码头机械设备的信息传递与管理, 同时由于集装箱码头面积庞大, 在进行集装箱码头无线网络的构建过程中需要对无线设备基站的摆放位置、覆盖效果以及避免周边无线信号的干扰进行综合考虑, 应当将以往各应用所需要的无线网络整合成统一的无线网络, 在降低成本的基础上提高无线网络的使用效率。

集装箱无线网络构建的要求:在集装箱无线网络的构建过程中, 对于无线网络具有以下几点要求: (1) 可靠性。通过无线网络实现数据的信息传递是集装箱码头信息化管理的基础, 因此, 需要确保无线网络设备能够长时期、无故障的持续运行。 (2) 良好的环境适应性。由于码头地处海边, 昼夜温差较大且湿度、空气中所含有的盐分等都会对无线网络设备的使用造成严重的影响。这对于网络设备良好的环境适应性以及稳定性提出了较高的要求。 (3) 良好的抗干扰能力。由于在无线网络的构建过程中多使用的是2.4GHz和5.8GHz的无线频段, 且这两频段可以免费使用, 因此, 容易造成频段中的无线信号的相互干扰。同时还需要对无线网络的带宽、信息数据的备份以及便于维护管理的能力进行充分的考虑。

3 集装箱码头的无线信息网络的构建

为解决港口码头对于机械设备的管理需要, 在无线网络的建设过程中可以选用西门子的无线网络设备来构建港口码头的无线网络。在无线网络的接入点模块的选择中选用SCALANCE 2788-1/W788-2为主来构建工业无线网络, 并在控制端依靠SCALANCE W744-1/746-1/747-1实现与PLC等设备的数据交换, 两者之间所采用的WLAN标准为IEEE.11a/b/g, 所选用的运行频率为2.4GHz或5.8GHz, 其无线数据的传递速率最大可到达54Mb/s, 并对无线网络信号采用WPA和128位的编码加密, 确保了无线数据的安全性。同时为了方便维护与在故障时进行模块的更换, 在无线网络的构成中选用的是较易拆卸的C-plus组件。同时在无线网络的构建过程中为解决由于码头中所堆积的集装箱而引起的信号干扰, 实现无线信号的良好传输, 需要在核心层网络设计中采用了思科系统1000M bit/s光纤Ethernet连成总线网络拓扑结构。统一的无线网络依靠在码头中分布的W788-2Pro模块与RTG、QC通信。W746-1Pro无线信号模块完成了无线信号的传输后与交换机相连接, 并将每台W746-1Pro的IP地址根据应用的不同划分为3种不同的VLAN, 用以将不同应用的数据向隔离, 同时为完成港口机械设备在无线网络中的连接, 需要对各个应用设备不同的网络名称, 将无线基站根据需要对每个Radio虚拟为3个VAP, 并对每个VAP分配不同的ESSID对应不同的无线客户端, 并对每个VAP所对应的ESSID进行数据优先级设定, 同时为了避免在码头中设立多个无线信号基站所带来的同频信号干扰, 需要在每个基站射频模块中加装MTI高性能定向天线, 从而确保无线信号基站在每个方向中所发射的频点信号不产生重叠。在构建无线网络时, 为避免出现无线中心基站出现故障无法实现数据的传输, 同时PLC等的监控设备与基站连接而无法实现上下行信号的传输, 可以充分利用Siemens SIMATIC SCALANCE W788系列的无线模块的冗余功能, 将其中所包含的“IP Alive”功能激活, 当无线信号基站与其相连的交换机之间的链接通信中断时, 其将会关闭自身的无线信号发射, 等待设备维护人员的检修。同时为了确保无线信号基站的信号能够覆盖较多的区域, 避免堆积的集装箱对其造成影响, 应当将其放置在场地内通信塔的顶部。

结语

随着经济的发展以及国际商贸往来的日益密切, 集装箱港口的吞吐量越来越大。为做好对于港口机械设备的信息化管理, 提高港口的效率。本文主要对如何在码头中依靠西门子无线模块建立工业无线网络进行介绍。

参考文献

[1]赵欣.西门子工业网络交换机应用指南[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[2]樊篱.MEA智能化无线网络在集装箱港口的应用[J].中国水运, 2013 (06) .

无线工业网络 篇8

IEEE802.15.4a是基于切普扩频(CSS)的无线短距离传输技术,特别适合于对抗干扰性能要求很高的工业无线(传感器)监控网络,其在2007年7月成为国际标准后引起了多家研究单位的重视,有了许多研究和应用实例。

网络嗅探技术是网络管理和监测中的一项重要技术。它是通过捕获并分析数据报文,获取实时有效的网络状态信息,以方便对网络的运行状况进行分析和管理。网络嗅探技术在有线网络的维护和管理中已经得到了广泛应用[1]。但基于IEEE802.15.4a标准的工业无线监控网络嗅探器的设计在国内外尚不多见。鉴于此,本文阐述了嗅探器的工作原理,并简要介绍了IEEE802.15.4a协议,以及一种针对该协议标准的工业无线传感器监控网络嗅探器的系统结构、数据包的捕获和过滤过程及其对应的类定义、嗅探器的用户界面设计对本嗅探器进行了实验验证,实现了对无线传感器网络的主动侦听监控。

1 嗅探器原理

网络嗅探是指捕获在网络中传输的封包信息并对其进行译码和分析,从而获取网络的状态、数据流动情况以及网络上传输的数据等信息,以方便找到网络的潜在问题等。

在共享式有线网络中,同一网段上的所有网络接口都有接收物理媒体上传输所有数据的能力。网卡将根据所设置的接收模式进行接收。通常情况下,网络接口只接收与自身地址相匹配的帧和广播帧。如将接收模式设置为混杂(Promiscuous)模式,则网卡能够接收到总线上的所有数据,从而实现对共享式网络的监听[2]。而对交换式有线网络的侦听则是在普通的侦听上辅以一定的欺骗方法,以扩展的中间人监听的方式来实现[3]。

对于无线网络,所有的无线站点都能够监听到目标工作频段内所有符合目标物理层协议的无线信号。即使站点对于非广播包、非组播包且目的地址与接收站点地址不匹配包都丢弃,而只要将无线网络接口设置为射频监听模式(RF-MON Mode)都可以接收所有包,以实现无线网络嗅探[4]。

2 监控网络MAC协议

目前成熟的无线传感器网络MAC协议中,使用较多的是S-MAC与CSMA协议。IEEE802.15.4a的MAC层使用CSMA,物理层使用CSS(Chirp Spread Spectrum),即宽带线性调频扩频,又简称切普扩频。

CSS是新一代短距离无线数字传输技术,已被IEEE802.15.4a任务组选定为基准物理层标准。其每一位传输所需功耗是IEEE802.11b的1/6、蓝牙的1/60。其数据传送速率最高可达到2 Mb/s,室外视距达900 m,接收灵敏度为-92 d Bm/Mb/s。CSS综合了FSK、PSK和ASK 3种方法的优点,能十分有效地抑制工业环境中的各种噪音和多径漫射,并且在拥挤的ISM(Industrial Scientific Medical)频段与其他现有的信号互不影响,用于实时精准位置和感应网络。简单地说,CSS技术加上IEEE802.15.4的MAC协议和组网规则就构成了改进的IEEE802.15.4a,特别适合在工业自动化现场设备层控制网络使用。

3 系统硬件结构

嗅探器的系统硬件结构如图1所示。其中微控制器采用Atmel公司的ATmega128L。它采用低功耗CMOS工艺,基于RISC结构,具有片内128 KB的程序存储器(Flash)、4 KB的数据存储器(SRAM)和4 KB的EEPROM;有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道,具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口。ATmega128L可在多种不同模式下工作,除了正常操作模式外,还具有6种不同等级的低能耗操作模式,适合于低能耗的应用场合。

为了与PC机的串口相联,使用了MAXIM公司的串行收发芯片MAX3232CSE来完成RS232电平到TTL电平的转换。

无线通信芯片采用德国Nano Tron公司的NA1TR8,该芯片符合最新IEEE802.15.4a标准,其内部集成1个可编程控制器,该控制器又分为2个部分:一个是基带控制器(baseband controller),功能有帧的产生、错误纠正、解包/封包等;另一个是MAC控制器,主要作用是控制介质访问控制,如CSMA/CA、TDMA等。NA1TR8的Memory在逻辑上有1 024 B的编址空间,这1 024 B由两部分组成:一个是128 B的寄存器,该寄存器依据编址为0x7F的索引寄存器低2位的不同设置,在地址空间中被映射成4个128 B的地址空间;另一个是512 B的基带RAM(Baseband memory,BBRAM),由Segment0、Seg ment1、Segment2、Segment3组成,每个Seg ment占用128 B。此RAM根据不同的设计需要可以设置成4种不同的配置模式:Auto/Duplex、Auto/Simplex、Transparent/Duplex、Transparent/Simplex。这4种配置模式各有优劣,需要根据具体的应用需求作出选择。

嗅探器的主要功能是接收数据而不是发送数据。鉴于此,监测仪的BBRAM的配置采用Auto/Simplex模式,此模式下的BBRAM配置如图2所示。

在Auto/Simplex模式下,Segment0、Segment1被保留下来专用于存储MAC帧头、加密/解密、站点地址、实时时钟(RTC)等信息。Segment2、Segment3用于发送和接收时共享Buffer。针对嗅探器BBRAM的配置,可以将Segment2、Segment3都用于数据的接收。

4 数据包捕获过滤

4.1 IEEE802.15.4a中的数据帧格式

物理层及MAC层的数据帧格式如图3所示。物理层由4个域组成,分别是前:导码,其作用是自动增益控制校验及位同步;同步字段,其作用是帧同步;MAC帧域及尾字符域,其作用是尾部与帧间间隔的分隔符。

MAC层有6种帧格式,分别是数据帧(Data)、应答帧(Ack)、广播帧(Brdcast)、时间信标帧(Time B)、请求发送帧(Req2S)、清除发送帧(Clr2S)。依据上述不同的6种帧格式,MACFrame包含10个域,每个域的详细功能描述可参见芯片NA1TR8的相关文档,这里不再赘述。

4.2 数据包捕获

对无线网络进行监听,首先必须对目标侦听网络中符合物理层通信协议的数据包进行捕获。这是对网络进行监控分析的基础。在这里首先需要取消监听站点的地址匹配,并设置为监听模式,使其可以监听到所有其他站点发送的数据。再将接收的有效协议数据单元传送至PC机串口。当串口监视进程CSerial Port::Comm Thread()监测到串口有数据到达时,发送WM_COMM_RXCHAR消息给主框架窗口,由响应函数CMain Frame::On Comm()对收到的数据进行初步的判断处理。而数据包则定义了一个普通类,其具体定义如下:

其中,Get Receive Time()对普通的CTime类进行了扩展,提高了时间的精度,为数据的进一步分析处理和网络管理提供了很好的时间记录。本设计中使用了绝对时间戳。这样,当知道某事件发生的大概时间时,可以快速找到详细的数据包解析以及对应的源码。

4.3 数据包过滤

嗅探器在默认情况下会对网络中所有包进行捕获。但实际的监听过程中捕获包的数量是相当巨大的,而且通常需要关注采集的只是具有某些特定特征的包。这就需要对捕获的数据包按照要求进行过滤,且显示结果。

过滤条件的设定主要分为如下4类:数据包的类型,收发地址,时间,关键字。

详细的参数设置界面如图4所示。其具体过滤功能由COutput Bar::Out Filter()函数实现。过滤条件的设置可在数据监听前预设也可在监听过程中及时按需修改。

5 用户界面设计

嗅探器在WM_CREATE消息处理函数CMain Frame::On Create()中创建了2个子控件窗口,将整个主窗口分为数据分析和网络监控2个区,如图5所示。捕获数据在嗅探器客户端的显示由COutput Bar::Show Network Message()实现。其中,一区的上部为解码区,给出了数据包的收发时间、地址、类型、具体的传感数据等详细分析信息;一区的下部显示了对应数据包的原始十六进制编码。而二区则以图形化的方式显示了整个无线网络的拓朴状态,以实现对整个网络的实时监控。

以对令牌传递的监控为例,从图6所示的嗅探器解码区所显示的详细分析信息可以看到,令牌在网络内传递的一个过程:包70、71表明站点5传送完数据后将令牌传送至主站点;而包72中主站点将令牌传给站点6;包73则是站点6获得令牌并进行了数据传输;最终,从包74、75中可看出,站点5再次获得令牌并传输了数据。

从嗅探器的运行结果可看出,嗅探器能够捕获无线传感器网络中的数据,并对其过滤分析,提供了整个无线网络的图形化监控等功能,而且未被原网络发现,也没有对其运行造成影响,最终实现了对IEEE802.15.4a无线传感器网络的主动侦听监控。

摘要：针对基于IEEE802.15.4a的工业无线传感器监控网络嗅探器的研究和实现,从分析嗅探器原理,介绍了IEEE802.15.4a协议,详细描述了嗅探器的系统结构及设计中对数据包的捕获和过滤过程。给出了针对4种不同过滤设置条件所对应的类定义,可根据用户要求对指定类型、特定站点或设定时间段及包含热点关键字的数据进行捕获过滤,动态显示网络的实时状况。经过试验,本嗅探器完全达到了设计要求,实现了对无线传感器网络的主动侦听监控。

关键词：IEEE802.15.4a,嗅探器,无线传感器网络,包捕获,切普扩频

参考文献

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无线工业网络 篇9

近年来,随着传感器技术和无线通信技术的发展,无线传感器网络已经成为国内外研究的热点。在工业界,已经专门制定了无线HART、SP100和ZIGBEE等用于无线传感器网络的应用协议。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是我国制定的用于过程自动化的工业无线网络规范,用于工业控制现场的测控和监控等,对无线通信的可靠性和实时性提出了较高的要求[1]。(1)

WIA-PA的MAC协议处于无线通信网络协议的底层,它决定了WIA-PA传感器节点的信道接入方式和带宽的分配,对WIA-PA网络的性能起到很大作用,是保证该网络高效、可靠、实时通信的关键网络协议之一。

无线传感器网络由于硬件资源有限,节点电池能量有限,使用的通信频段带宽较窄,工作环境较为恶劣等缺点,为适应传感器网络的上述特点,人们提出了很多新的MAC协议,按信道的接入方式竞争与否分为基于竞争的MAC协议和基于时分的MAC协议。其中S-MAC[2]和T_MAC[3]协议是典型的基于竞争的MAC协议,采用竞争的方式接入信道,当网络流量较大时,多个数据源节点同时竞争信道,会导致某些节点竞争失败,不能保证每个节点能及时地传输数据。TRAMA[4]和TDMA-W[5]等采用基于时分无竞争的访问机制,每个节点拥有属于自己的时间片,只有当属于自己的通信时间片到来时,节点开启收发器,其余时间处于睡眠节能状态,同时避免了信息包的碰撞,能保证数据传输的可靠性和实时性。

由于工业现场环境复杂,信道容易受到干扰,如果采用单信道的通信模式,当该信道受到干扰而无法通信时,将使整个网络通信中断,影响数据传输,在工业通信中对数据的可靠性和实时性要求很高,这样的通信中断往往是不能容忍的。同时随着硬件技术的发展,如MICAZ和TELOS平台使用的CC2420等射频收发器支持使用多个信道的通信。基于多信道的通信协议逐渐成为了满足无线通信网络抗干扰和保证数据传输可靠性方法的研究热点。文献[6]、[7]提出了基于多信道的MAC协议,但都是基于硬件节点包含多个射频收发器的情况,这样增加了节点成本,特别是在大规模的无线传感器网络中,节点众多,成本是一个不容忽视的问题。文献[8]、[9]虽然提出了单射频收发器多信道协议,但他们都没有专门针对满足工业通信要求而设计,因此也不能直接应用于WIA-PA网络。

本文首先介绍了WIA-PA的网络结构及关键技术;然后在该网络模型基础上,详细设计了适用于工业通信的TMCC_MAC协议,其中包括WIA-PA超帧结构设计,通信资源分配以及节能策略等内容;最后进行了协议性能的分析和验证。

2 WIA-PA基本介绍

WIA-PA标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的WIA子标准,定义了用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范。WIA-PA协议采用了start-mesh两层网络拓扑结构,如图1所示。第一层是mesh结构,由路由设备构成;第二层是星型结构,由路由设备及现场设备构成。本文中的路由设备包括网关路由设备(为保证数据的可靠传输,采用有线方式与网关相连)、簇首路由(指星型网内的簇首,完成对簇内设备管理和数据转发)、mesh路由设备(指处在mesh网络中的路由设备,完成簇间数据转发)。下文除非特别提及,路由设备均指mesh路由。

根据工业无线网络稳定性高、可靠性高、实时性高、低功耗等特征,WIA-PA网络采用集中式和分布式相结合的管理结构、多信道技术以及跳频技术等多种技术。同时基于802.15.4标准,采用超低能耗的硬件与软件设计。

3 TMCC-MAC 协议设计

3.1 模型假设

本文为方便协议的研究与实现,对WIA-PA实际网络模型作了如下假设:

(1) 工业无线设备均匀地布置在整个检测区域内,节点一旦布置就相对静止,每个节点有唯一的身份标识ID。

(2) 通过其他技术,WIA-PA网络已实现了时间同步。

(3) 网关路由有多个射频收发器,其他设备都只有一个射频收发器。

(4) mesh网络中的路由节点发射功率可调,用于根据网络部署需要合理的调整邻居节点数量。

3.2 通信资源描述

3.2.1 WIA-PA通信资源特点

对于WIA-PA协议,通信资源是指收发信道和通信时段。WIA-PA节点工作于2.4GHz的工业免费通信频段,可以划分为16个信道,每个信道带宽为5MHz。采用基于TDMA的访问模式,超帧的格式将时间轴划分为均等的时隙,无线设备在一个时隙中只使用一个信道进行收/发。同时,WIA-PA采用集中式和分布式相结合的管理体系结构,簇间通信资源由网关进行集中分配;簇内通信资源由所在簇簇首进行通信资源分配。

WIA工业无线网络的重要特征是高可靠性和高实时通信。网络中传送的数据包是小数据包,且要求频繁传送。网络管理者在每个路由设备入网时为其分配一整块通信资源,并不是有通信请求时才分配,即设备在加入网络运行之前资源就分配好,然后在规定的时隙以及信道上和某个特定的设备进行通信。同样的,WIA-PA要求网络的拓扑结构较为稳定,当出现网络中较多节点死亡或通信故障时,要求网络管理者重新启动全网和进行资源配置。基于上述特点,本文采用了固定信道分配和固定超帧长度的思想进行资源分配。

WIA-PA网络中,经部署好的传感器节点在公共通信频段fcom发送申请消息加入网络,对于路由节点,向网关发送消息请求加入mesh网络;普通成员节点按一定的分簇算法向簇首发送请求消息加入星型网络。

3.2.2 WIA-PA超帧结构

超帧(superframe)是周期性重复的时隙集合,规定了周期性通信的收发时间。网络管理者为每一路由设备分配一个WIA-PA超帧结构。WIA-PA工业无线网络使用超帧结构来协调无线设备之间的通信,保证网络有序可靠的通信。WIA-PA的通信是基于IEEE802.15.4标准格式的扩展,超帧结构如图2所示。超帧结构分了七个阶段:信标阶段、簇内通信、请求加入、回复阶段、空闲、簇间通信、网络检测。此七个阶段融合了网络的各个层次的功能。每个阶段分为多个时隙,采用TDMA接入方式以及时间同步的方式使得WIA-PA工业无线网络系统实时可靠地通信。

在整个网络通信中,通过数据包帧结构来协调数据通信,通过信息管理库监视各层的状态。

(1) 信标时段:

网络层的路由总是在每个超帧的第一个时隙发送信标帧,要加入的网络设备就通过不断地检测信道,通过信息管理库查看信道的质量以及路由是否允许设备加入等参数状态,来判断是否加入网络以及加入哪个网络。同时在这个时隙要进行时钟对齐、通信资源备份。

(2) 簇内通信时段:

簇内采用时隙、信道资源、网络地址相匹配的方式进行通信资源的分配,完成星型网内数据转发。支持基于时隙的跳频机制、重传机制等,保证传输的可靠性和实时性。

(3) 申请时段:

不在WIA-PA网络的设备以及想成为路由的现场设备可以发送申请。在申请发送之前,发送请求的设备先检测信道质量,同时通过信息管理库检查路由或设备是否允许被加入,来保证路由通信的质量以及整个网络的负载情况。

(4) 答复时段:

完成对请求消息的答复,如果没有需要答复的设备则处于休眠阶段,以降低能耗。同时根据时钟同步与信息管理库以及超帧结构相结合来保证低功耗的通信要求。

(5) 空闲时段:

在答复时段与簇间时段之间如果还有空余的时隙,路由和现场设备都可以休眠以节省能量。

(6) 簇间时段:

簇间通信时段完成的是mesh网路的通信。通过路由表、资源表、邻居表以及超帧时隙结构,结合信息管理库的状态信息,完成安全、实时、可靠的通信。

(7) 检测时段:

通过检测信道占用度、数据流、路由表、以及通信资源的分配,同时还对网络的干扰、信道质量、各个时段的动态调整,确保网络的通信处于最优状态。

3.3 通信资源分配

3.3.1 问题描述

WIA-PA网络中,每个星型网络内部成员使用同一信道与簇首通信,所有的星型网络在簇内通信时隙与簇首通信,相邻的星型网络如果采用相同的信道通信,可能产生通信干扰。为减少通信的相互干扰,我们应将可能产生干扰的簇分配不同的信道。在簇间通信时段,相邻的路由节点在同一信道通信时也会产生通信干扰。实验表明,一个节点的通信干扰范围一般为该节点的两跳邻居节点。本文基于两跳内不同信道的思想,将15个无线信道(除去一个公共通信信道)合理地分配给两跳内邻居节点。

超帧时隙的分配分为簇内时隙和簇间时隙分配,簇内时隙分配由各个星型网络的簇首路由完成,由于星型网络内成员节点数目有限,采用为每个节点按ID序号依次分配时隙的方法。WIA-PA网络中,每个网关路由可以接254个路由设备,不可能在一个超帧周期内完成所有路由节点的簇间通信。进行簇间时隙分配是在基于跳频通信的机制上,保证通信的节点不产生通信冲突,同时提高时隙的利用率,即一个时隙可以被其他通信不相冲突路由节点重复利用。

从以上分析知,不论是信道资源还是时隙资源的分配,重点在对mesh网络的路由节点簇间通信资源进行分配。将mesh网络中路由节点用图G(V,E)表示,其中V表示节点的集合,E表示各节点边的集合。用c1,c2,c3,…,c15分别表示15个信道,假设超帧中簇间通信时隙数为n,用s1,s2,s3,…,sn分别表示n个时隙,那么我们将信道和时隙的分配就转换为图着色的问题。信道分配是将某个顶点的两跳内相邻顶点着上不同的颜色,时隙分配为将相邻边(我们将含有共同顶点的边称为相邻边)着上不同的颜色。节点在加入网络时可能有多个邻居节点,我们需要为该节点到邻居节点的每一边着色。

3.3.2 信道和时隙资源分配

图的着色问题为NP-Hard问题,当前解决该问题研究较多的是一些启发式智能算法,如蚁群和微粒群等群体智能算法[10],但该方法需要耗费较多的硬件资源和时间,不适合WIA-PA网络。文献[11]提出了利用集合的思想进行着色,算法简单快速,但该算法只研究了簇信道分配,本文在此基础上进行深入研究,实现了整个mesh网络的通信资源分配。

用颜色c1,c2,c3,…,c15来代表2.4GHz频段的15个信道,他们的集合CJ1,CJ2,CJ3,…,CJ15用来分别表示用颜色c1着色的顶点集合,用颜色c2着色的顶点集合等。用颜色s1,s2,s3,…,sn来表示超帧周期内的簇间通信的n个时隙,他们用集合SJ1,SJ2,SJ3,…,SJn来分别表示用颜色s1着色的边集合,用颜色s2着色的边集合等。

具体算法执行过程如下:

(1) 当有节点加入网络时,收集两跳内的邻居顶点和两跳内所有的边,并获得需要着色的边数;

(2) 从集合CJ1,CJ2,CJ3,…,CJ15中随机选取一个集合CJi;

(3) 对新加入顶点k (k∈V),在CJi集合中判断是否有与k两跳内相邻的顶点,若没有,则将该顶点加入CJi集合中,转向第4步,否则,转向第2步;

(4) 从SJ1,SJ2,SJ3,…,SJn中随机选择一个集合SJi;

(5) 对于要着色的边e判断在SJi中是否有相邻边,若没有,则将e加入SJi集合中,转向第6步,否则转向第4步;

(6) 判断是否所有的要着色边都已经着色完,若是,则退出;否则,对边继续着色,转向第4步。

3.4 TMCC-MAC节能策略

在工业无线网络通信中,采用电池供电,如何降低功耗,延长电池的寿命也是该协议研究的重点。本协议除了采用基于TDMA的休眠模式外,同时提出最后1ms处理技术实现所有通信的准备工作。

最后1ms的处理函数的工作原理是,在TMCC-MAC的通信时隙中,每个时隙的最后1ms系统都对节点的状态进行判断,对本时隙前面的工作进行处理,同时对下一时隙要做的工作进行准备,完成整个网络实时有序的通信。当在最后1ms发现下个时隙没有任何数据要传输,或者发现节点处于接收状态时,把节点设定为休眠状态,关闭射频。同时如果一个节点长时间没有要通信的数据,系统会自动断开节点的链接,降低能耗。并且节点也可以根据自身的状况,如果没有需要通信的数据时,可以向网关申请请假机制。整个网络始终处于极低的占空比运行,大大节约了能耗。

4 实验分析与验证

为验证该协议,搭建了由30个路由节点随机均匀分布在50m×50m的区域内,实验表明该协议能快速为WIA-PA网络路由节点分配信道和时隙,限于篇幅,本文截取了如图3所示的路由节点n0两跳内的路由拓扑结构,根据网络规模,超帧的簇间通信时隙长度设置为10,其中n0,n1,…,n12为路由节点ID编号,c1,c2,c3,…,c15分别为15个信道,s1,s2,s3,…,s10分别代表超帧簇间通信10个时隙。某次实验运行该协议分配信道和时隙情况标注在图3中。

从图3我们可以看出两跳内的节点获得了不同的信道,图中的相邻边分配给了不同的时隙。图中n0的邻居节点n10与 n11,n0与n3可以同时在s1时隙无干扰地通信,网关路由具有多个射频收发器,可以将同时到达网关路由的多条路径数据转发给上层工业网络,提高了数据可靠性和实时性。

在能耗方面,我们充分考虑到WIA-PA节点的能量有限特点,采用了相应的能量管理机制,提出了最后1ms的判断机制,使下一时隙没有数据通信的节点不用打开收发机,进一步节省了能量。实验证明,本项目系统功耗极低,一节普通干电池的寿命可以延长到2～3年的时间。

5 结束语

本文提出的基于WIA-PA分簇网络的多信道TMCC-MAC协议,采用着色图的思想进行信道和时隙资源分配,算法实现简单高效。同时研究了基于该协议的节能技术,在传统的节能机制上,提出了利用每个时隙的最后1ms去为下一时隙通信作准备的节能策略。实验表明,该协议同时具有低功耗、时分和多信道的优点,较好地满足了WIA-PA实时、可靠和抗干扰等通信特点。

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工业无线仪表在油气行业的应用 篇10

在过去两年里, 油气行业的创新者们已经体验并证实了无线监测仪表在远程或难以到达区域中的应用价值, 在这些应用中如果采用有线设备, 那么所需的高昂建设成本将是无法承受的。无论从运行性能还是成本考虑, 无线方案都具有很大优势, 而且安全可靠, 可以广泛应用于传统采用有线方案的上游作业中。传统的接线依然会用于运动控制及安全系统等。但无线技术已普遍应用于现有工厂装置中, 而且在新建油气项目中也已开始使用。

2 无线技术优势

先进的无线技术与有线技术相比, 投入成本低, 占地面积少, 是平台、油气终端应用的理想选择。与传统4-20毫安有线模拟量仪表相比, 安装无线每个节点可节省30%的费用, 无线技术在北美地区已成为主流应用。任何熟悉工业自动化的人都知道, 从本世纪90年代中期开始, 人们就在寻找一种可以替代4-20m A模拟标准的技术, 后来ISA开发了Foundation现场总线等技术, 已为各工业行业广泛应用。

最新的研究表明如果所需敷设电缆不超过250米, 连接点数小于500点, 那么无线仪表的安装成本比Foundation现场总线方案还要低。如果高于这个指标, 现场总线方案会比无线方案更省钱。这就说明海上应用可以综合利用这些技术, 在安全系统中采用传统的4-20毫安;控制采用现场总线;监测和低频率控制应用则使用无线技术。无线的优势还包括:简化工程和实施工作, 启动更快更灵活, 既使后期改变设计也没问题, 因为它的安装非常简单。安全也是需要考虑的因素, 过程和运行信息可根据需要进行无线传递, 工作人员无需在高压高温的地方人工读取数据。

Emerson采用自组织网状网络技术, 弥补了老式的, 需要目视路径的系统所存在的缺陷。比如, 无线仪表可以任意分布在陆上油田, 而采用传统的有线仪表进行数据采集难以实施, 而且缺乏灵活性。自组织网状网络连续监测压力、温度、流量和振动测量设备的数据传输, 并自动寻找信号到达网关的最佳通讯路径, 如果临时出现某个障碍物挡住了通讯路径, 邻近的无线仪表可作为路由器继续传递信号。通过这种方法保持信号的连通, 可使数据传输的可靠性达到99%以上。这项技术是Wireless HART标准的根本, 该标准获得了200多个代表仪表厂商和用户的HART通讯基金会成员的认可。目前已有相当数量的现场仪表、阀门和设备定位监测器、振动数据变送器和智能无线网关可以满足这项标准, 并已应用于石油工业。

3 Wireless Hart技术简介

HART通信基金会HCF从2004年起, 宣布开发无线HART协议, 要求HART无线通信技术保证支持产品的互操作性, 与有线HART仪表的无缝连接, 提升HART智能仪表的智能和可连接性。HCF的无线工作组吸引了世界众多的过程控制供应商加入, 主要参加单位有:Emerson、ABB、Siemens、Dust Networks等。历经近三年的努力, 经HCR成员投票, 无线HART的规范和通信协议已在2007年6月正式通过。无线HART技术是指包括五个有关的规范及其对现有几个规范的改进, 以及对设备、适配器、网关和网络管理设备的要求。无线HART协议由下列五个规范来描述, 即《无线物理层规范》HCR-SPEC-065、《TDMA数据链路层规范》HCR-SPEC-085、《网络管理规范》HCR-SPEC-085、《无线命令规范》HCR-SPEC-155和《无线设备规范》HCR-SPEC-290。另外还发布一个《无线HART用户导则》HCR-LIT-086。

2007年9月中旬, HCF和ISA达成一个协同计划的协议, 目的是:评估无线HART协议作为SP100.11a标准系列中的一个子集的可能性。通过让ISA SP100标委会和HCR的成员都能得到各自无线标准规范的文本, 进行详细研究, 并成立联合委员会开展工作。如果结论明朗, 则建立一种适当的机制解决版权的问题, 协调和同步这两个标准;如果结论不那么明朗, 为了工业应用的利益, 仍然要解决SP100和无线HART协议二者之间尽可能的兼容。

无线HART是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议。它是HART现场通信协议第七版HART7.0的核心部分, 又充分吸取了近20年HART为过程自动化工业服务的各种经验。与所有符合HART协议的仪表和设备一样, 无线HART向后兼容于现有的HART设备和应用。现有的HART应用 (包括控制系统、PLC、维护工具、资产设备管理应用等) , 无需进行任何软件升级, 都可以利用无线HART协议。它采用工作于2.4GHz ISM射频频段、具有安全、稳健的网格拓扑联网技术, 在将所有信息统统打包在一个数据包内, 通过与IEEE802.15.4兼容的直序扩频DSSS和跳频技术FHSS进行数据传送。无线HART的架构是按以下原则设计的, 即易于使用、可靠, 以及与无线传感器网格型协议相兼容。它强制规定所有的兼容设备必须支持可互操作性, 这就是说不同制造厂提供的无线HART仪表和设备, 无需进行系统操作就能实现互换, 即连即用。再者, 无线HART要向后兼容于HART的核心技术, 诸如HART的命令结构和设备描述语言DDL。所有的HART设备 (例如网管、网关、现场设备等等) 都应支持DDL。

无线HART通信利用时分多址TDMA技术来协调调度网络设备间的通信。TDMA数据链路层以指定时间槽和信道 (频率) 的方式来建立网络中各设备间的链接, 这些链接组织成周期性重复的超帧结构, 以支持定时循环的通信流和非循环的通信流。为了弹性地利用通信带宽, 链接可以是专用的 (如为保证过程数据以最小的延迟传送) , 也可以是共享的。传统的HART协议是一种支持请求/响应和过程数据发布两类通信的令牌传送网络。将无线HART纳入整个HART的结构, 就包括了附加的无线HART的物理层IEEE802.15.4-2006和TDMA数据链路层。其网络层完整地规范了使用全无线网格化的网络的部署;应用层则支持HART的应用层。

无线HART规定了三种主要的网络要素:无线HART现场设备、无线HART网关和无线HART网络管理器。还支持无线HART适配器, 以便将现有的HART设备接入无线HART网络;以及无线HART手持设备, 以便就近接入相邻的无线HART设备。值得注意的是, 在无线HART网络中, 网关仅承担现场无线HART仪表与主应用系统之间的通信, 它既支持一个或多个接入点, 又和其接入点都包括在每个无线HART网络中;另外也支持冗余网关的结构。网络管理器负责网络的组态、无线HART网络设备之间的通信调度、路径表的管理和无线HART网络健康状况的报告。这一特点与许多无线短程网规定的网关又承担网络的组态有显著的不同, 较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要求。

4 成功应用

英国BPWytch油田很早就开始应用智能无线网络, 这是欧洲最大的海上作业油田之一。为了提高工作人员的效率, 免除每天人工巡检读取井口仪表读数的工作, BP公司安装了40台罗斯蒙特无线压力变送器, 每个井口2台。智能无线网关单独安装在过程区域以外, 将无线变送器的信号传递到控制系统。新添加任何一台无线仪表只需30分钟即可运行, 无线仪表可对油井进行连续监测, 发现压力的异常情况。

Statoil Hydro公司在其Grane石油平台上也采用了智能无线网络, 用以对地处北海岸偏远地区的井口和热交换机进行远程监测。有些障碍物会阻挡目视通讯路径, 但对于自组织无线网络来说这完全不是问题。在这个项目中, 井口安装了22台无线压力变送器, 用以测量环空压力, 另外12台表监测进口压力和热交换机的压降。每台变送器通过无线网关将数据传递到控制室操作站。

在无线仪表的使用过程中, 信号强度和一致性表现出色, 数据可靠性和稳定性达到100%, 大大减少了人工读取仪表数据的工作量, 同时也减少了工作人员暴露在危险场所的机会。委内瑞拉国家石油公司投资几百万美元改造Morichal工厂的自动化装置, 其中包括安装无线网络, 对180口油井进行监测。该无线自组织网络采用了600多台无线变送器。无线方案不但节省成本, 而且可提供可靠的压力和温度测量数据, 如果采用有线方案会有接地问题, 而安装在井口的电子驱动设备会产生谐波影响有线仪表的精度。

2007年无线产品正式出现在市场后, 目前已有宝钢化工公司梅山分公司、上海赛科石油化工有限公司、江西卡博特蓝星化工公司、中石油塔西南化肥厂、中海油友谊号平台输油船、华能上海石洞口第一电厂、昆明红云红河烟厂等数十家成功应用了无线仪表及系统。

5 无线方案在新建项目中的研究

近期的一些研究表明无论是在小型或大型新建项目中, 当智能无线技术占到整个项目I/O的25%到45%时, 优势最显著。此外无线技术可提高项目设计的灵活性, 同时由于它的实施和安装都很简单, 因此还能缩短工期。研究结果显示, 新建项目的最佳实施方案是采取有线HART、现场总线和无线通讯相结合的方式。无线方案用于新建海上人工作业平台。根据艾默生针对一个4000I/O的海上平台所做的一项调查证明, 无线技术可广泛应用于过程应用, 并不仅仅局限于那些无法采用有线方案或实施有线方案代价过高的地方。

在项目安装成本方面比较有线HART、现场总线和无线设备的各种组合方案, 我们发现相对于其它通讯技术无线方案的成本效率最高。在上述石油平台的研究中, 大约17%的信号是通过无线设备进行有效传递的, 在过程控制系统中安装无线网络节省了7% (100万美元) 的安装费用, 此外, 还减少了800个有线接点, 因此减轻了35吨的重量, 并由于减少了线缆、线槽、接线盒和机柜, 使占用甲板的空间减少了129立方米。

根据常规有线方案的接线长度来进行成本的推算, 我们发现无论怎样的距离, 无线仪表都能节省费用, 而且距离越长, 节省越多。研究小组据此制作出一个成本计算器, 用以测算采用无线方案实现的项目费用节省。

无线技术用于新建过程工厂。一家独立的咨询公司对化工过程工厂进行了调研, 得出一致的结论:凡是新建项目, 无论规模大小, 采用智能无线技术都能显著节省安装成本, 如果无线所占项目点数的比重为45%, 那么其在工程、基建和开车上的花费要比有线方案节省35%以上。

6 总结

无线产品尽管出现与2007年左右, 但是其凭借其降低成本、缩短项目周期、调试简单、稳定可靠、二次投资少等特点, 迅速抢占了工业系统、仪表的市场份额。基于Wireless Hart技术及自组织网络结构, 大大提升了无线仪表系统的稳定性、安全性和智能性, 在过程控制领域已经有了广泛的应用。但是由于还没有满足SIL等级的无线仪表, 故将无线仪表应用在安全仪表系统中还不成熟。

摘要：在过去两年里, 油气行业的创新者们已经体验并证实了无线监测仪表在远程或难以到达区域中的应用价值, 无论从运行性能还是成本考虑, 无线方案都具有很大优势, 而且安全可靠, 可以广泛应用于传统采用有线方案的上游作业中。

关键词：无线仪表,油气行业,Wireless Hart

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