無線通訊技術在工業(yè)自動化領域中的應用及發(fā)展

引言
　　無線網絡，顧名思義是利用無線電波而非線纜來實現(xiàn)與計算機設備位置無關的網絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。隨著計算機網絡技術、無線技術以及智能傳感器技術的相互滲透、結合，產生了基于無線技術的網絡化智能傳感器的全新概念。這種基于無線技術的網絡化智能傳感器，使得工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、發(fā)布和共享。無線通訊技術能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場設備、移動機器人以及各種自動化設備之間的通信提供高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網絡拓撲結構，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補了有線網絡的不足，進一步完善了工業(yè)控制網絡的通信性能。
　　應用
　　目前，在工業(yè)自動化領域中無線通訊技術協(xié)議主要是：對于可用于現(xiàn)場設備層的無線短程網，采用的主流協(xié)議是IEEE 802.15.4（ZigBee）；對于大數(shù)據(jù)容量的短程無線通信，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線局域網，采用的是IEEE 802.11系列。其中應用的重點是無線短程網和無線局域網
。
　　無線短程網 （傳感器網絡Sensor Networks）
　　現(xiàn)場設備層無線通信迅速進入工控領域，其中一個突破口是現(xiàn)場總線和無線通信技術的結合。以Zigbee網絡為例，其特點是：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(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。3）網絡容量大：一個Zigbee網絡可以容納最多65536個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個Zigbee網絡。4）時延?。横槍r延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。5）兼容性：與現(xiàn)有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協(xié)調器(Coordinator)自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。6）安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。7）實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本較低。
　　典型的產品和應用為：2004年Honeywell推出的基于ZigBee無線傳輸協(xié)議的無線變送器XYR 5000系列；OMRON的無線鏈接Device Net現(xiàn)場總線主站WD30-ME和從站WD30-SE； 德國schild knecht公司推出的無線Profibus-DP產品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工廠利用Ember的無線技術進行的無線通信評估試驗。
　　無線局域網(Wireless LAN)
　　自從1977年第一個民用網系統(tǒng)ARCnet投入運行以來，有線局域網以其廣泛的適用性和技術價格方面的優(yōu)勢，獲得了成功并得到了迅速發(fā)展。然而，在工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜，有線局域網很難發(fā)揮作用，因此無線局域網技術得到了發(fā)展和應用。隨著微電子技術的不斷發(fā)展，無線局域網技術將在工業(yè)控制網絡中發(fā)揮越來越大的作用。在工業(yè)自動化領域，有成千上萬的感應器，檢測器，計算機，PLC，讀卡器等設備，需要互相連接形成一個控制網絡，通常這些設備提供的通信接口是RS-232或RS-485。無線局域網設備使用隔離型信號轉換器，將工業(yè)設備的RS-232串口信號與無線局域網及以太網絡信號相互轉換，符合無線局域網IEEE 802.11b和以太網絡IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網絡通信協(xié)議，有效的擴展了工業(yè)設備的聯(lián)網通信能力。
　　無線網通信協(xié)議可采用IEEE802.3來實現(xiàn)點對點傳輸方式或采用IEEE802.11實現(xiàn)一點對多點傳輸方式，也可以在普通局域網基礎上通過無線Hub、無線接入站、無線網橋、無線Modem及無線網卡等來實現(xiàn)，其中現(xiàn)場以無線網卡使用最為普遍。
　　利用無線局域網組建自動化工業(yè)網絡，相比之下具有有線固定網絡無法比擬的優(yōu)勢：1）無線網絡拓撲更適合工業(yè)網絡應用：支持RS-232工業(yè)設備點到點的連接。支持廣播的拓撲，多個RS-232工業(yè)設備可組成對等網絡，相互通信。(RS-232通信協(xié)議無法支持多點通信)。客戶機/服務器的拓撲，每個RS-232工業(yè)設備都可以方便、快捷的接入無線網絡中，極大的提高了信息處理能力。2）無需布線，省去了施工的麻煩：無線局域網利用無線電波傳輸數(shù)據(jù)信號，適合于難于布線的環(huán)境中搭建數(shù)據(jù)傳輸網絡。在工業(yè)現(xiàn)場，鋪設的線纜容易受到頻繁的觸碰損壞，無線網絡則保證了網絡的安全性。3）覆蓋范圍廣：無線局域網在開放空間覆蓋半徑達550米，室內一般覆蓋半徑為300-400米，通過室外無線設備傳輸距離可以達到幾十公里。
　　現(xiàn)主要應用在遠程視頻傳輸、門禁/考勤管理系統(tǒng)、安防管理系統(tǒng)、生產設備聯(lián)網自動化、電信/光纖網絡監(jiān)控、醫(yī)療/實驗儀器聯(lián)網自動化、工業(yè)/流程聯(lián)網控管等領域。
　　藍牙技術(Bluetooth)
　　藍牙是由東芝、愛立信、IBM、Intel和諾基亞于1998年5月共同提出的近距離無線數(shù)字通信的技術標準。自從提出該技術以來，藍牙技術的發(fā)展異常迅速。藍牙Bluetooth作為一種新的短距離無線通信技術標準，受到全世界越來越多工業(yè)界生產廠家和研究機構的廣泛關注。近年來，世界上一些權威的標準化組織，也都在關注藍牙技術標準的制定和發(fā)展。例如，IEEE的標準化機構，也已經成立了802．15工作組，專門關注有關藍牙技術標準的兼容和未來的發(fā)展等問題。IEEE 802．15．2 TG2是探討藍牙如何與IEEE 802．11b無線局域網技術共存的問題；而IEEE 802．15．3 TG3則是研究未來藍牙技術向更高速率(如10-20Mbits/s)發(fā)展的問題。國內的一些生產廠家與研究部門也準備開始組織藍牙技術產品的開發(fā)。
　　藍牙是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術，可以支持物體與物體之間的通信，工作頻段是全球開放的2．4GHz頻段，可以同時進行數(shù)據(jù)和語音傳輸，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現(xiàn)無縫資源共享。 藍牙技術的應用非常廣泛而且極具潛力。它可以應用于無線設備(如PDA、手機、智能電話、無繩電話)、圖像處理設備(照相機、打印機、掃描儀)、安全產品(智能卡、身份識別、票據(jù)管理、安全檢查)、消費娛樂(耳機、MP3、游戲)、汽車產品(GPS、ABS、動力系統(tǒng)、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(yī)療健身、建筑、玩具等領域。
　　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。如無線系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)的共存性（Co-existence），不同廠家設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線通信協(xié)議。

 
　　2）無線局域網今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移動漫游、網絡管理以及與其它移動通信系統(tǒng)之間的關系等問題上。其發(fā)展方向有：更高的通訊速率；研發(fā)智能天線進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、移動接入。
　　3）現(xiàn)場總線的無線傳輸?shù)目尚行哉谠u估，無線通訊技術將會和現(xiàn)場總線技術更加緊密結合。
　　4）無線傳輸目前尚處在發(fā)展的早期階段。無線技術首先會用在樓宇自動化、自動抄表、事故響應、設備監(jiān)控等領域得到應用。當前較適宜應用的行業(yè)有：汽車制造、食品加工、制藥和設備資產跟蹤等。
　　5）由于工廠無線技術種類較多，技術特征差異比較大，無線通信只是現(xiàn)有有線通信系統(tǒng)的一種發(fā)展和重要補充，決非一種替代，工業(yè)控制網絡將向有線和無線相結合方向發(fā)展。
　　結束語

　　近年來，以太網、互聯(lián)網等網絡架構已越來越廣泛的應用于自動化工業(yè)領域，取代傳統(tǒng)的串口通信將成為自動化系統(tǒng)通信的主流。無線局域網技術在工業(yè)控制中的應用，主要包括數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控等，幫助用戶實現(xiàn)移動設備與固定網絡的通訊或移動設備之間的通訊，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絡的可靠性和安全性。在設備層則將現(xiàn)場感應器、檢測器、PLC、讀卡器或其他設備，互相連接形成一個無線傳感器控制網絡，作為信息系統(tǒng)內管理收集數(shù)據(jù)的工具?，F(xiàn)在最終用戶和系統(tǒng)集成商都對無線傳感器網絡技術表現(xiàn)出了越發(fā)濃郁的興趣。工廠無線通訊的發(fā)展前景看好，國內業(yè)界應該更緊密地關注該項技術。