工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

一、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)自動化的新熱點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進入工業(yè)自動化和工業(yè)測控領(lǐng)域，大多數(shù)工業(yè)儀表和自動化產(chǎn)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(luò)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(fēng)能、機械振動發(fā)電等)，網(wǎng)絡(luò)路由器 (具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由功能)和無線網(wǎng)關(guān)(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))。

　　
 
圖1 典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于市場巨大，許多在工業(yè)自動化領(lǐng)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(luò)產(chǎn)品和系統(tǒng)，國內(nèi)也有不少研究機構(gòu)和大型公司在進行相關(guān)研究，但是，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)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(shè)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(shè)計適合自己應(yīng)用需要的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，將使我們的夢想，將變?yōu)楝F(xiàn)實，目前應(yīng)該是一個明顯的轉(zhuǎn)折點和交匯點。

回答的肯定的：我們完全可能自己動手，設(shè)計適合自己應(yīng)用特點的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

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(yīng)，以及馬達、器械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(luò)的核心微處理器提出了新的挑戰(zhàn)。我們自己動手設(shè)計在這樣環(huán)境中運行的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)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(shè)計，微處理器和無線收發(fā)部分在同一芯片內(nèi)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(luò)的網(wǎng)關(guān)，路由器和傳感器節(jié)點，都可以使用同一微處理器來設(shè)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(jīng)濟和方便，因為無線單片機芯片價格很低，甚至已經(jīng)低于許多類型普通單片機，設(shè)計者可以放手進行設(shè)計和調(diào)試，不必擔(dān)心芯片損壞等。另外目前國內(nèi)嵌入式設(shè)計的知識已經(jīng)相當(dāng)普及，設(shè)計工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，路由器，節(jié)點和設(shè)計我們熟悉的普通單片機系統(tǒng)，核心技術(shù)沒有什么不同，而且IAR編譯，調(diào)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(shè)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(shè)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(shè)計的過程，在這些高級調(diào)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(shè)計任務(wù)。

三、ZigBee PRO 符合工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求

與面向家庭的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(ZigBee2004到ZigBee 2006屬于這類面向家庭的技術(shù))不同，面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(yīng)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(shù)(包括數(shù)據(jù)的調(diào)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(zhì)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(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)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(luò)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(luò)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(fù)，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(luò)使用的可靠性，ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)協(xié)議棧。

嚴格實時性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應(yīng)低于1.5倍的傳感器采樣時間。ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)針對工業(yè)通信對時延敏感的應(yīng)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(shè)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(shè)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(luò)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(luò)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(shè)計,節(jié)點的電池壽命應(yīng)達到3至10年。能夠?qū)崿F(xiàn)使用最少的能源的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進程的推進，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(fù)雜。

為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計了高安全模式(High Security Mode)，就是當(dāng)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(jié)金鑰(Link Key)，最后再利用連結(jié)金鑰加密后產(chǎn)生一把網(wǎng)路共用的網(wǎng)路金鑰，網(wǎng)路金鑰(NWK Key)放在應(yīng)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(shè)計，完全能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)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(jīng)完全具有能力實現(xiàn)復(fù)雜的安全算法的能力，對應(yīng)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)計的無線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(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(luò)的重要標(biāo)準，是具有很好兼容性的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件。

綜上所述，以傳感和控制為目標(biāo)ZigBee PRO無線網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計出圖2所示結(jié)構(gòu)那樣，滿足自己特別應(yīng)用要求的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)項目和產(chǎn)品。

四、有線到無線，我們笑迎新的技術(shù)挑戰(zhàn)

本文重點介紹的是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的實現(xiàn)，其實，在已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點間雙向通訊的前提下，實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的無線控制控制，包括繼電器，I/O,開關(guān)控制，電機控制，都已經(jīng)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。