工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 圖 1   無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)         無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指大規(guī)模、高密度、隨機(jī)布置、自組織多跳的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通訊、數(shù)據(jù)交換以及與各種傳感器連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的身份識(shí)別、跟蹤、定位和無(wú)線監(jiān)測(cè)功能。       無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）起源于美國(guó)軍方，它由大量具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成并能根據(jù)環(huán)境“智能”地完成指

2、定任務(wù)，被美國(guó)商業(yè)周刊評(píng)為21世紀(jì)最有影響和改變世界的10大技術(shù)之一，在1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)軍方利用這一技術(shù)完成了多項(xiàng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和采集，第一次在實(shí)戰(zhàn)中檢驗(yàn)了WSN，也使WSN揭開(kāi)了神秘的面紗，開(kāi)始為外界所了解、跟蹤和研究。       國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006-2020中提出的未來(lái)信息技術(shù)的三大前沿技術(shù)，包括了“智能感知技術(shù)”和“自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”兩項(xiàng)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是這兩項(xiàng)技術(shù)的融合。       由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集

3、成了傳感器、射頻識(shí)別（RFID）、無(wú)線通信、信息處理等多種高新技術(shù)，近年來(lái)其應(yīng)用已經(jīng)由軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到反恐、防爆、資產(chǎn)管理，物品、人員和車(chē)輛的識(shí)別、定位、跟蹤，環(huán)境檢測(cè)以、物流管理、醫(yī)療保健、家居、工業(yè)等其它眾多領(lǐng)域，逐漸展示出其“改變世界”的巨大潛力！被稱(chēng)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(lái)的思達(dá)高科技產(chǎn)業(yè)之一；而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也將很快進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，大多數(shù)工業(yè)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都將很快嵌入無(wú)線傳輸功能，完成從有線到無(wú)線過(guò)渡。  1.2 相關(guān)技術(shù)介紹      

4、ZigBee pro 符合工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求 ：      面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要滿(mǎn)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(guò)95%。為了實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用無(wú)線通信來(lái)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,接序列擴(kuò)頻）技術(shù)（

5、包括數(shù)據(jù)的調(diào)劑，激活和休眠射頻收發(fā)器，心道能量檢測(cè)，心道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空間信道評(píng)估，收發(fā)數(shù)據(jù)等）具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且MAC和應(yīng)用層（APS部分）有應(yīng)答重傳功能，另外MAC層的CSMA機(jī)制節(jié)點(diǎn)發(fā)送之前先監(jiān)聽(tīng)信道，也可以起到避開(kāi)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(wèn)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，ZigBee pro 可以進(jìn)行路由修復(fù)，另選一條合適的路徑來(lái)保持通信。同時(shí)，ZigBee pro 最新增加的頻率捷變（frequency&#

6、160;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(chǎng)的無(wú)線干擾，無(wú)法正常工作時(shí)，整個(gè)ZigBee pro 網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)化動(dòng)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 DSSSFHSS的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較，ZigBee pro可靠性和抗干擾性更勝一籌。      嚴(yán)格實(shí)時(shí)性：對(duì)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。ZigBee pro 

7、;網(wǎng)絡(luò)支隊(duì)工業(yè)通信對(duì)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(jí)，休眠激活時(shí)延典型值為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms，加上ZigBee pro 新的路由算法，大大提高了網(wǎng)絡(luò)路由器效率；再通過(guò)多跳接力的方式進(jìn)行傳輸?shù)难舆t大幅降低，完全能夠保證端對(duì)端通信實(shí)時(shí)性。      低能耗:用于對(duì)工業(yè)全流程進(jìn)行泛在感知的無(wú)線傳感器節(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。     

8、安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全問(wèn)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(wú)線通信由于通信的開(kāi)放特征更容易容易受到攻擊，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)了安全模式（High Security Mey），就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，信托中心（TrustCrnter，TC）會(huì)先配一把萬(wàn)能鑰匙（Master Key）給新加入的節(jié)點(diǎn)，然后，新加入的節(jié)點(diǎn)在用這種萬(wàn)能鑰匙加密后產(chǎn)生一種網(wǎng)絡(luò)公用的網(wǎng)絡(luò)金鑰，網(wǎng)絡(luò)金鑰（NWK Key）放在應(yīng)用層有效載荷中傳輸給對(duì)方，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全通訊的要求；而且，新的16位，32位無(wú)線單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力，已經(jīng)完全具有有能力實(shí)現(xiàn)負(fù)載的安全算法的能力，對(duì)應(yīng)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件。      兼容性：為保護(hù)用戶(hù)的原有投資，基于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有與工廠原有的優(yōu)先控制