采用ZigBee pro自己動手設(shè)計(jì)的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

一、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)自動化的新熱點(diǎn)

　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn) 引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一；改變世界的10大新技術(shù)之一；全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快也將進(jìn)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；

　圖一是一個(gè)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(diǎn)（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風(fēng)能、機(jī)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)）；
 

圖一， 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(jī)構(gòu)和大型公司在進(jìn)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(xì)節(jié)和有機(jī)會參與任何設(shè)計(jì)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(jī)會自己動手，來設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shí)，目前應(yīng)該是一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和交匯點(diǎn)。

　回答的肯定的：我們完全可能自己動手，設(shè)計(jì)適合自己應(yīng)用特點(diǎn)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(dá)、器械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲，都會干擾無線信號的正確接收，同時(shí)，工業(yè)環(huán)境強(qiáng)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(jì)在這樣環(huán)境中運(yùn)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；

 圖二   工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖 

　目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新無線單片機(jī)解決方案：MC13224, CC2530, MSP430F5437+CC2520， 都是很好的SoC 微控制器解決方案，（見表一） 這些方案的特點(diǎn)是，高度集成化設(shè)計(jì)，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(qiáng)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(diǎn)，都可以使用同一微處理器來設(shè)計(jì)；

 　采用上述方案，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，最大的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)和方便，因?yàn)闊o線單片機(jī)芯片價(jià)格很低，甚至已經(jīng)低于許多類型普通單片機(jī)，設(shè)計(jì)者可以放手進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，不必?fù)?dān)心芯片損壞等；另外目前國內(nèi)嵌入式設(shè)計(jì)的知識已經(jīng)相當(dāng)普及，設(shè)計(jì)工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，路由器，節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)我們熟悉的普通單片機(jī)系統(tǒng)，核心技術(shù)沒有什么不同，而且，的IAR編譯，調(diào)試系統(tǒng)是目前世界是最強(qiáng)大的商業(yè)化嵌入式C語言軟件設(shè)計(jì)工具，配合深圳無線龍科技提供的無線單片機(jī)開發(fā)平臺，樣板工程設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)慢動作式的重放，并隨時(shí)捕獲空中無線數(shù)據(jù)包裝；整個(gè)無線通訊軟件硬件設(shè)計(jì)的的過程，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(jī)系統(tǒng)一樣，快捷容易的完成設(shè)計(jì)任務(wù)；    

三、ZIGBEE pro 符合工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求

　與面向家庭的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ZIGBEE2004到ZIGBEE2006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(gè)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(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場使用無線通信來實(shí)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 SpreadSpectrum，直接序列擴(kuò)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(qiáng)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(jī)制使節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)可以有多條路徑，路徑的冗余加強(qiáng)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(gè)中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，   ZIGBEEPRO可以進(jìn)行路由修復(fù)，另選一條合適的路徑來保持通信。同時(shí)，ZIGBEEPRO最新增加的頻率捷變(frequency agility)，也大大加強(qiáng)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(shí)，整個(gè)ZIGBEE PRO網(wǎng)絡(luò)可以自動動態(tài)的切換到全部16個(gè)頻道的一個(gè)干凈工作信道上（實(shí)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，ZIGBEEPRO可靠性和抗干擾性更勝一籌；采用表一的無線單片機(jī)，都可以支持ZIGBEEPRO的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧； 

　■ 嚴(yán)格實(shí)時(shí)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(shí)間。ZIGBEEPRO網(wǎng)絡(luò)針對工業(yè)通信對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為毫秒級別，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時(shí)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(jìn)行傳輸?shù)难舆t大幅度降低，完全能夠保證端到端通信實(shí)時(shí)性。 

　■ 低能耗：用于對工業(yè)全流程進(jìn)行泛在感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jī)和ZIGBEEPRO 無線前端的一系列革命性的新設(shè)計(jì)，，節(jié)點(diǎn)的電池壽命應(yīng)達(dá)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(jìn)程的推進(jìn)，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(jī)制將更加復(fù)雜；

　為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)了高安全模式(High Security Mode)，就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)路時(shí)，信托中心(TrustCenter, TC) 會先配一把萬能金鑰(Master Key)給新加入的節(jié)點(diǎn)，然后，新加入的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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 的安全設(shè)計(jì)，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，如表一所示的新的16位，32位無線單片機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，已經(jīng)完全具有能力實(shí)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(hù)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ZIGBEEPRO設(shè)計(jì)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(zhǔn)，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)的ZIGBEEPRO無線網(wǎng)絡(luò)，具有加強(qiáng)版商業(yè)級和工業(yè)的協(xié)議棧，完全可以滿足上述五個(gè)方面的要求，使用ZIGBEEPRO協(xié)議棧，完全可以設(shè)計(jì)出圖二所示結(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(xiàng)目和產(chǎn)品；

　四，有線到無線，我們笑迎新的技術(shù)挑戰(zhàn)

　通過上面的簡單介紹，我們看到任何工程師， 都有機(jī)會來進(jìn)入這個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，入門并不難，精通也辦得到；這是因?yàn)槲覀兩钤诨ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，也是因?yàn)閲鴥?nèi)在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有像深圳無線龍科技這樣的一批先行者，他們出版了相關(guān)中文書籍（北航出版《無線單片機(jī)叢書》十本，最新一冊是《ZIGBEE2007PRO入門與實(shí)戰(zhàn)》），提供相關(guān)C51RF, MSPRF， ARMRF 系列低價(jià)格無線單片機(jī)開發(fā)工具，同時(shí)，對ZIGBEEPRO這樣的協(xié)議棧的應(yīng)用提供相關(guān)技術(shù)支持，提供高頻模塊等服務(wù)，這樣，就使我們?nèi)腴T進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，更加方便容易，另外，TI，F(xiàn)reescale公司，提供了廉價(jià)的無線單片機(jī)芯片，高性能的免費(fèi)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧；這些，都為我們投入這個(gè)全線的技術(shù)領(lǐng)域――相對復(fù)雜的工業(yè)自動傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線工業(yè)自動控制領(lǐng)域，打開了方便之門；

　本文重點(diǎn)介紹的是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)間雙向通訊的前提下，實(shí)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(jī)控制，都已經(jīng)是很容易實(shí)現(xiàn)的，水到渠成的事情，只需要在軟件和硬件上進(jìn)行一些小的擴(kuò)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(luò)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(shè)計(jì)開發(fā)的挑戰(zhàn)中，去完成我們技術(shù)更新和升華.