工業(yè)環(huán)境下無線短程網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展和實踐

1、工業(yè)環(huán)境下無線短程網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展和實踐 彭 瑜2007年6月1短程無線通信技術(shù)的發(fā)展短距離無線通信系統(tǒng)是指依靠無線技術(shù)可在一二百米的有效范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。 人們希望通過一個小型的、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)低價位、低功耗、可替代線纜的無線數(shù)據(jù)和語音鏈路，為移動和商業(yè)用戶提供各種服務(wù)。目前，短距離的無線應(yīng)用在無線需求市場上快速增長，例如RF識別、無線局域網(wǎng)(WLAN)、個人無線連接網(wǎng)絡(luò)(WPAN)等。目前幾種主流的短距離無線通信有： 高速WPAN技術(shù) UWB高速無線通信技術(shù)（包括MB-OFDM、DS-UWB、WirelessUSB） 低速WPAN技術(shù)（包括IEEE802.15.4/Zi

2、gBee和藍(lán)牙等）今天我們主要討論的是基于IEEE802.15.4的低成本、低數(shù)據(jù)率的WPAN技術(shù)。2低成本、低功耗和對等通信無線短程網(wǎng)的重要特征 短距離無線通信技術(shù)的三個重要特征和優(yōu)勢是 ：低成本、低功耗和對等通信低成本是短距離無線通信的客觀要求，因為各種通信終端的產(chǎn)銷量都很大，要提供終端間的直通能力，沒有足夠低的成本很難推廣。低功耗是相對其它無線通信技術(shù)而言的一個特點，這與其通信距離短這個先天特點密切相關(guān)，由于傳播距離近，遇到障礙物的幾率也小，發(fā)射功率普遍都很低，通常在毫瓦量級。 對等通信是短距離無線通信的重要特征，有別于基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的無線通信技術(shù)。終端之間對等通信，無須網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行中

3、轉(zhuǎn)，因此接口設(shè)計和高層協(xié)議都相對比較簡單，無線資源的管理通常采用競爭的方式如載波偵聽。3歐洲無線工控應(yīng)用項目RUNES的開發(fā)路線圖4歐洲無線工控應(yīng)用項目RUNES的開發(fā)路線圖在歐洲，從2004年10月至2005年4月，集中了25個組織（大小公司和研究所）制定了一個名為RUNES、在未來10年內(nèi)無線技術(shù)在工業(yè)控制和自動化發(fā)展應(yīng)用的路線圖。背景：無線網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)系統(tǒng)安裝和運(yùn)行的高度靈活性及成本優(yōu)勢創(chuàng)造了機(jī)會，及時而牢固地抓住不放。目標(biāo)：到2008年將安裝成本降低50%，運(yùn)行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低80%，運(yùn)行成本降低50%。5歐洲無線工控應(yīng)用項目RUNES的開發(fā)路線圖發(fā)展無線應(yīng)用必

4、須考慮的原則：在工業(yè)控制和自動化中盡可能利用無線通信是必然的選擇無線通信應(yīng)與傳統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有互操作性開發(fā)可再配置（reconfigurable）的設(shè)備盡可能地從環(huán)境中取得電源（如用太陽能電池）盡可能采用開放的頻段（如世界通用的ISM頻段2.4GMHz）6Emerson的三級無線網(wǎng)絡(luò)Emerson Process Management 在2006年第四季度宣布，在歷經(jīng)三年對多種無線傳輸技術(shù)的評估和工業(yè)應(yīng)用實驗后，正式?jīng)Q定采用Dust Networks的網(wǎng)格拓?fù)鋾r間同步協(xié)議TSMP技術(shù)，作為其工廠智能無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和解決方案。這一創(chuàng)新的自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的采用，使它的著名品牌Rosemount 測

5、量變送器和ATMTM 智能設(shè)備管理程序和預(yù)測維護(hù)套件實現(xiàn)了無線通信的能力，并完全與DeltaVTM 和Ovation的DCS 產(chǎn)品系列或其它傳統(tǒng)主機(jī)構(gòu)成無縫連接。圖示出該公司的三級無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)（IEEE 802.15.4 和無線HART）控制網(wǎng)絡(luò)（IEEE 802.11和IEEE 802.16，即WiMax）工廠局域網(wǎng)（IEEE 802.11和IEEE 802.16） 7Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邆鬏斂煽啃訣merson的智能無線解決方案是世界上第一個將自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于工業(yè)應(yīng)用的示范工程。過去三年中，在北美和歐洲幾個現(xiàn)場試驗的結(jié)果證實，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽?9%以上，而安裝成本比同等的有

6、線方案要低90%。由圖中的例子我們便可明白，為什么自組織無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性大于99%：若通道AB的傳輸可靠性為65%、通道AC的傳輸可靠性為40%、通道AD的傳輸可靠性為85%，盡管全都低于99，但是在任何需要的時刻，由A發(fā)至網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通道會以大于99%的概率加以傳輸。8網(wǎng)格拓?fù)鋾r間同步協(xié)議TSMP（1/2）網(wǎng)格拓?fù)鋾r間同步協(xié)議TSMP解決了網(wǎng)絡(luò)所有的構(gòu)成節(jié)點共享發(fā)送、接收和休眠的精確時間同步。在對電池功耗有嚴(yán)格要求的場合（如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN），這是十分關(guān)鍵的。只有全部節(jié)點的同步喚醒和同步休眠，才能實現(xiàn)電池的長壽命。TSMP與其它WSN所用的信標(biāo)策略不同，它考慮到信標(biāo)策略會要求偵聽窗口長時間

7、投入工作，從而消耗電池的功率，所以不在每個數(shù)據(jù)幀的起始處設(shè)一同步信標(biāo)，代之以TSMP節(jié)點保持一個精確的時間讀出，還要通過與相鄰節(jié)點交換補(bǔ)償信息來保證同步。這個補(bǔ)償值與標(biāo)準(zhǔn)的ACK確認(rèn)消息一起傳送，因此沒有額外的時間和功率開銷。這一共同的時間讀出信號，保證網(wǎng)絡(luò)具備了許多優(yōu)點：帶寬可預(yù)先配置，確保了極可靠的發(fā)送和自干擾為零；發(fā)送節(jié)點在每次發(fā)送時可有效地改變頻率，而接收節(jié)點可保持鎖步；以可預(yù)見和有條理的方法來調(diào)節(jié)帶寬的增減，以適應(yīng)數(shù)據(jù)流的突增或突減。9網(wǎng)格拓?fù)鋾r間同步協(xié)議TSMP（2/2）TSMP節(jié)點只有3種工作狀態(tài)：向相鄰節(jié)點發(fā)送消息；偵聽處在發(fā)送狀態(tài)的相鄰節(jié)點；與嵌入的傳感器或處理器構(gòu)成接口。對

8、其它的所有時間而言，該節(jié)點處于休眠狀態(tài)，功耗極低。無線設(shè)備的功率有95%是在發(fā)射和接收時耗掉的。TSMP毫無例外地、而且是主動地讓網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點（包括那些為相鄰節(jié)點作消息傳遞接力的節(jié)點，即所謂的路由節(jié)點）的占空比都只有1%，這就是解決網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點全部由電池供電，并且還能達(dá)到長壽命的實際方法。10Emerson的現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)該無線系統(tǒng)的規(guī)?？纱罂尚?，最小為5個節(jié)點，而最多可達(dá)100,000個。按支持符合SP100規(guī)定的第1至第5類應(yīng)用設(shè)計，目前已經(jīng)過現(xiàn)場實際考驗的應(yīng)用為第3至第5類，即開環(huán)控制類和監(jiān)控類。Emerson 公司的 SmartPowerTM創(chuàng)新，保證無線設(shè)備所用電池壽命因?qū)嶋H應(yīng)用

9、場合不同可達(dá)5至15年。在信息安全方面，Emerson宣稱使用了加密、授權(quán)、驗證、抗感染和密鑰管理等技術(shù) ，并經(jīng)第三方安全專家的認(rèn)可，足以保證穩(wěn)妥可靠的信息安全。該系統(tǒng)可以用在各種流程制造業(yè)，包括煉油、石化、化工、制漿和造紙以及水和廢水處理等，也可用在石油和天然氣采集、輸油或輸氣管線及生產(chǎn)平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，Emerson還與設(shè)備制造商、用戶和工業(yè)協(xié)會組織一起，積極支持SP100的標(biāo)準(zhǔn)和HART通信基金會有關(guān)無線HART規(guī)范制定。并承諾一旦這些標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布后，所推出的無線系統(tǒng)可以非常方便地升級，使之完全符合標(biāo)準(zhǔn)。11ABB和BP做了大量無線技術(shù)工業(yè)應(yīng)用實驗在積極制定工業(yè)自動化環(huán)境下無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)

10、準(zhǔn)的同時，開發(fā)和完善滿足SP 100要求的無線短程網(wǎng)的協(xié)議及其在實用條件下的驗證工作也一直在大力地推進(jìn)著。事實上，早在SP100標(biāo)準(zhǔn)工作啟動之前，ABB 公司在2003年就開始了在無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于開環(huán)控制和閉環(huán)控制的工廠試驗。結(jié)論是開環(huán)控制和操作指導(dǎo)不成問題，閉環(huán)控制還存在較大問題。BP 公司也從2004年起在化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理，大型運(yùn)油船引擎的振動、溫度等參數(shù)的監(jiān)控，油氣管線的腐蝕檢測，潤滑油供應(yīng)鏈，液化天然氣罐遠(yuǎn)程監(jiān)控，油氣管線侵入者檢測報警，液化天然氣容器跟蹤以及煉油過程的無線測量平臺等多個不同的應(yīng)用場合進(jìn)行了許多工業(yè)實驗。總的結(jié)論是：目前的無線技術(shù)已完全可滿足無線監(jiān)控系統(tǒng)的要

11、求，離開璧還控制的要求距離尚遠(yuǎn)。 12Invensys的無線工業(yè)應(yīng)用策略室內(nèi)室外專用無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率功耗成本/復(fù)雜度13Invensys 正 在 克 服 壁 壘，面 對 安 全 的 無 線 工 業(yè) 應(yīng) 用Invensys Process Systems宣布其無線通信在工業(yè)應(yīng)用中的策略是：通過建立獨(dú)特而廣泛的管理網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其應(yīng)用要求，即集中在共享接入點技術(shù)，以及所有無線設(shè)備（不管供應(yīng)商，也不管應(yīng)用在哪一級）的共用數(shù)據(jù)和安全模型。這種策略的目的是：為所有工業(yè)和企業(yè)的無線應(yīng)用，提供適當(dāng)水平的集成、穩(wěn)健性和信息安全的基礎(chǔ)保證。通過無線網(wǎng)絡(luò)簡化測量和數(shù)據(jù)采集，使得過去在有線通信環(huán)境下顯得不實際、甚至不可

12、能的方案得以實現(xiàn)。其期望的無線應(yīng)用解決方案包括：過程優(yōu)化、設(shè)備管理、實時的裝置狀態(tài)監(jiān)控、能源管理、人員跟蹤、資產(chǎn)設(shè)備跟蹤，以及以實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備利用和提高可用性的協(xié)調(diào)為重點的企業(yè)資產(chǎn)管理。14Invensys 正 在 克 服 壁 壘，面 對 安 全 的 無 線 工 業(yè) 應(yīng) 用由于無線通信技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用正處在發(fā)展期，各式各樣的新穎無線設(shè)備不斷地涌入。但這些設(shè)備往往利用了專用的無線通信協(xié)議、專用的技術(shù)和與有線通信網(wǎng)絡(luò)通信的接入點。這就造成有效利用從這些設(shè)備取得的數(shù)據(jù)變得困難重重，也難以避免保證將信息安全保持在一個適當(dāng)?shù)乃健＿@就是Invensys 為什么要對所有設(shè)備使用共享接入點技術(shù)，并且對所

13、有的無線頻率和通信協(xié)議（WiFi、WiMax、802.15.4、RFID、ZigBee、VoIP、專用協(xié)議等）使用共用的數(shù)據(jù)和信息安全模型。前者會帶給用戶顯著的節(jié)省成本，后者則會使通過無線網(wǎng)絡(luò)取得的數(shù)據(jù)可容易地與資產(chǎn)管理軟件整合。而標(biāo)準(zhǔn)化的安全模型有助于有效管理無線網(wǎng)絡(luò)，使它保持在一個適當(dāng)?shù)男畔踩托阅芩健?5Invensys 正 在 克 服 壁 壘，面 對 安 全 的 無 線 工 業(yè) 應(yīng) 用Invensys所設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)策略是與現(xiàn)有的工廠控制和信息網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充和協(xié)調(diào)運(yùn)用，它涵蓋：所需的硬件和軟件對現(xiàn)場的調(diào)研和分析服務(wù)工程設(shè)計和系統(tǒng)集成服務(wù)安裝、調(diào)試和投運(yùn)服務(wù)不斷發(fā)展的維護(hù)、支持和優(yōu)化服

14、務(wù)現(xiàn)正在對北美的幾個大型化工企業(yè)集團(tuán)做現(xiàn)場調(diào)研16與工業(yè)短程應(yīng)用相關(guān)的無線標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4（基礎(chǔ)物理層，數(shù)據(jù)鏈路層）ZigBee（網(wǎng)絡(luò)層/安全層、應(yīng)用層）SP100.11（低功率無線傳感器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)面向現(xiàn)場控制）SP100.14（高帶寬無線基礎(chǔ)設(shè)備和骨干網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)面向監(jiān)控）互操作標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1451.5應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)Wireless Hart Wireless FF SP100WSN用操作系統(tǒng) TinyOS（開放源代碼操作系統(tǒng)，WSN科研界事實上的標(biāo)準(zhǔn)）17ISA SP100自動化和控制環(huán)境下實現(xiàn)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會的ISA SP100標(biāo)準(zhǔn)委員會正在加緊制

15、定自動化和控制環(huán)境下實現(xiàn)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，主要面向現(xiàn)場儀表和設(shè)備，推薦實踐指南、技術(shù)報告和相關(guān)的信息。著重在三方面制定標(biāo)準(zhǔn)：運(yùn)用無線技術(shù)的環(huán)境， 無線通信設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的生命周期， 無線技術(shù)的應(yīng)用。在SP 100標(biāo)委會下開始設(shè)五個主要的分標(biāo)委會： 射頻物理學(xué)基礎(chǔ) 可互操作性 用戶要求 用戶指南 集成18面 向 成 功 的 SP 100SP 100力求在現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，能在一個較短的時間內(nèi)取得符合要求的結(jié)果。SP 100盡可能應(yīng)用下列標(biāo)準(zhǔn)并有所提高： ISA SP 99信息安全 IEEE 1451智能傳感器 FIPS 140-2信息安全 ISO/OSI 網(wǎng)絡(luò)可連接的7層模型SP 100力爭促

16、進(jìn) 新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點合理部署 從業(yè)人員和公司相互間的交流19SP100規(guī)定的六類應(yīng)用安全0類：緊急動作（恒為關(guān)鍵）信息時間性的重要程度控制1類：閉環(huán)調(diào)節(jié)控制（通常關(guān)鍵）2類：閉環(huán)監(jiān)督控制 （經(jīng)常非關(guān)鍵） 3類：開環(huán)控制（由人工控制） 注：批量控制的3級（“單元“）和4級（”過程小單元“）由其功能決定可能是1類、2類，甚至為0類監(jiān)測監(jiān)控4類：標(biāo)記產(chǎn)生短期操作結(jié)果（例如：基于事件的維護(hù)）5類：記錄和下載/上載不產(chǎn)生直接的操作結(jié)果（例如：歷史數(shù)據(jù)采集、事件順序記錄SOE、預(yù)防性維護(hù)）20SP100規(guī)定的六類應(yīng)用英國石油公司CTO提出：實際對這些類別（不包括0類）的應(yīng)用需求，大致是按

17、以下的比例 1：2：4：10：10第四、五類應(yīng)用是大量的 狀態(tài)監(jiān)控振動，溫度/壓力 性能監(jiān)控?zé)峤粨Q，環(huán)境，機(jī)械性能21用于工業(yè)自動化的無線網(wǎng)絡(luò)的首選要求成本減少安裝成本減少運(yùn)行維護(hù)成本易于安裝和維護(hù)電源管理(采用電池運(yùn)行)兼容性和 可擴(kuò)可縮可互操作性/共用基礎(chǔ)設(shè)施/共存性(與其他射頻設(shè)備共存)在全世界范圍均能使用(不會因所在國家的法規(guī)而無法使用)網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可擴(kuò)可縮性能通信可靠(正確傳輸?shù)陌俜直?)適于閉環(huán)控制快速的報告速率 支持現(xiàn)場點對點控制信息安全網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)格拓?fù)渥越M織(meshing)的安全性就地現(xiàn)場設(shè)備接入服務(wù)質(zhì)量(QoS)等級和使用情況22SP100.14 和 SP100.11

18、 SP100.14工作組專注于低功率無線傳感器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。 SP100.11工作組專注于高帶寬無線基礎(chǔ)設(shè)備和骨干網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化。2006年9月份前曾廣泛征求上述標(biāo)準(zhǔn)的草案。提出草案的有：AnalogDevices, Adaptive Instruments, ANI, Apprion, Certicom, Crossbow, Dust Networks, Emerson, GE Global Reseach, Machine Talker, Nanotron, Newtrax, OMNEX, Oak Ridge National Laboratories, Sensicast, Siemens,

19、 ST, Texas Instruments, Honeywell,和Yokogawa 等。我國的中國科學(xué)院沈陽自動化所也提出過方案。在這么多草案中有許多非常相近，于是便形成了幾個小組。23SP100.14 和 SP100.11WNSIA（Wireless Networks for Secure Industrial Applications, 安全應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)）。其方案是基于802.11 Mesh路由的主干網(wǎng)和以星形拓?fù)錇槁酚赏ㄐ诺臒o線傳感器的組合，這兩種通信均采用TDMA（時分多路存取）調(diào)度方案。在其方案中無線傳感器采用了專用的射頻協(xié)議，特別是在2.4GHz采用窄帶跳頻，遭到有關(guān)共存性和

20、可互操作性的質(zhì)疑。WNSIA以Honeywell為主，參加的有： EH，F(xiàn)lowserve, Omnex Cortrols, Yokogawa。24SP100.14 和 SP100.11Emerson/Dust 組提出的是基于Dust的網(wǎng)格拓?fù)鋾r間同步協(xié)議TSMP（Time Synchronized Mesh Protocol）的全網(wǎng)格無線傳感器解決方案。該協(xié)議工作于IEEE 802.15.4 的2.4GHz物理層，并規(guī)定所有的通信均處于TDMA的時間槽。通信調(diào)度集中控制，所以任意一種環(huán)境或傳感器就地的變化都要求進(jìn)行新的調(diào)度計算，并由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)服務(wù)器向所有節(jié)點傳播。本方案是所有提出的方案中唯一一

21、個全網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方案，完全不用星形、樹形或簇狀樹形拓?fù)洹?5SP100.14 和 SP100.11Sensicast/STG/GE 方案與前述Dust的方案基本相同，差異僅僅在于將集中計算的工作分散由各個路由節(jié)點去完成。系統(tǒng)組建為簇狀樹形，路有器節(jié)點以樹形拓?fù)浞祷鼐W(wǎng)關(guān)。終端節(jié)點與路有節(jié)點以星形拓?fù)渫ㄐ牛瑫r間槽由路由節(jié)點分散指定。Siemens 方案提出星形拓?fù)涞男阅芎途W(wǎng)格拓?fù)涞亩鄻有院挽`活性。由于方案不夠具體，尚不得而知如何解決兩種拓?fù)涞男阅軈f(xié)調(diào)問題。26SP100.14 和 SP100.11上述方案有以下共同點：IEEE 802.15.4 的2.4GHz物理層和MAC層。自適應(yīng)跳頻（Adapt

22、iveFrequency Hopping, AFH）。TDMA和CSMA/CA均有提出，但折衷出現(xiàn)在IEEE 802.15.4 的MAC層，采用修正GTS（有保證的時間槽）機(jī)制，以支持AFH。尚未提出占優(yōu)勢的安全和授權(quán)結(jié)構(gòu)。27SP100兩個主要技術(shù)陣營 實際上后面兩個組（GE組和Siemens組）都支持Emerson組，所以現(xiàn)在形成兩大技術(shù)陣營：以Honeywell為主的陣營 3eTI, Crossbow, Adaptive Instruments, Endress+Hauser, Flowserve, Omnex controls, Yokogawa.以Emerson為主的陣營 Advan

23、ced Industrial Networks, Apprion, Certicom, Freescale/Motorola, GE, Invensys, Machine Talker, Nanotron, NewTrax Technologies, Oak Ridge Nat Lab, Sensicast, Siemens, Software Technology Group, TI/Chipcon, 中科院沈陽自動化所28互操作標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1451.5實現(xiàn) IEEE 802.11, Bluetooth, ZigBee間的互操作29無線現(xiàn)場設(shè)備的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)Wireless HART將HART

24、的應(yīng)用規(guī)范移植到SP100上Wireless FF將FF的應(yīng)用規(guī)范移植到SP100上SP100PHY868MHz / 915MHz / 2.4GHzMACNetworkStar / Mesh / Cluster-TreeWirelessFFAPIWirelessHART應(yīng)用層30WSN用的操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題TinyOS是一種專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的低功耗、輕量級的開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)。它最早是由美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)，目前似乎已成為WSN科研界事實上的標(biāo)準(zhǔn)。今年4月底在MIT召開的傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理會議上曾專門就WSN用的操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題，組織了SP100、ZigBee和In

25、ternet Engineering Task Force(IETF)與TinyOS Technology Exchange(TTX)展開研討。ZigBee聯(lián)盟曾在早期對TinyOS做過技術(shù)評估，但從商業(yè)的觀點來看，它不適合于ZigBee潛在用戶的商業(yè)計劃開發(fā)環(huán)境。 ZigBee最后采用了OSAL嵌入式操作系統(tǒng)。經(jīng)過兩三年的發(fā)展，WSN與TinyOS都取得了長足進(jìn)步。如果TinyOS建立了真正的抽象層，可以適應(yīng)各種工業(yè)通信協(xié)議（一般為1-2-7層模型）按需求進(jìn)行變化或升級，也就是說TinyOS應(yīng)更緊密地遵照OSI分層模型。另外，考慮到SP100在IEEE802.15.4和無線傳感器射頻的FHS

26、S跳頻機(jī)制之間做出選擇時，就更需要抽象層了?？傊?，如果TinyOS要真正從僅為科研界所接受的WSN用操作系統(tǒng)，發(fā)展成也為具有商業(yè)目的無線短程網(wǎng)協(xié)議（如SP100和ZigBee等）所接受，它必須作相應(yīng)的改變。31HART基金會正在積極開發(fā)無線HART協(xié)議ARC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截至2005年止，全世界已安裝的現(xiàn)場儀表達(dá) 5,3005,500萬臺，其中采用420mA信號的達(dá)35%，氣動信號13%，采用HART的達(dá)39%，采用專用信號的為13%，采用現(xiàn)場總線的僅2%左右。HART通信基金會HCF投資開發(fā)新的技術(shù)能力和工具，無線HART已成為開發(fā)重點，成立了無線工作組正在制定新的技術(shù)規(guī)范。無線HART協(xié)

27、議應(yīng)該具有目前有線HART協(xié)議能夠解決的所有應(yīng)用，也就是說可以滿足在SP 100規(guī)定的第0類到第5類的全部應(yīng)用的要求。32HART 7.0規(guī)范中的WirelessHA（1/2） 2007年4月HCF公布了HART 7.0規(guī)范，其中有關(guān)無線HART的規(guī)范，包括：WirelessHART用戶導(dǎo)則HCR_LIT-086無線物理層規(guī)范HCR_SPEC-065TDMA數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范HCR_SPEC-075網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范HCR_SPEC-085無線命令規(guī)范HCR_SPEC-155無線設(shè)備規(guī)范HCR_SPEC-29033HART 7.0規(guī)范中的WirelessHA（2/2）WirelessHART 是基于IE

28、EE 802.15.4，可在全球應(yīng)用的2.4GHz頻帶，具有信道跳頻、Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漪敯粜院托畔踩牡凸臒o線通信規(guī)范。它旨在為過程測量和控制提供有足夠確定性、并具有可互操作性的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。將無線通信納入HART規(guī)范，將在HART原有一切功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升具有HART功能的現(xiàn)場儀表和主系統(tǒng)的技術(shù)能力。這就是說，有線HART和無線HART除了通信介質(zhì)不同而產(chǎn)生的必要規(guī)范而外，它們運(yùn)用同樣的HART命令結(jié)構(gòu)、同樣的軟件工具。34無線HART通信的要求（1/4）一般要求 HART無線標(biāo)準(zhǔn)支持公用無線現(xiàn)場設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與正在開發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如SP 100）在互操作性、易于安裝和維護(hù)等方面密

29、切合作。 為保證可靠性和規(guī)?？蓴U(kuò)可縮，協(xié)議必須適用與點對點和網(wǎng)格(mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中點對點為最小網(wǎng)絡(luò)。 重點是工廠內(nèi)現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)級的通信，作為有線連接的一種替代。 對于單個現(xiàn)場設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)至少必須支持兩種應(yīng)用存取信息，例如DCS和手持式PDA存取設(shè)備。 規(guī)?？蓴U(kuò)可縮性能：一個無線接入點（WAP）可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛻?yīng)用場合接入一臺到多臺設(shè)備。 一臺回路供電的4-20mA/HART現(xiàn)場設(shè)備，也可有第二個數(shù)字通信通道無線HART通道，而不致于使4-20mA/HART回路性能變壞。 遠(yuǎn)程設(shè)備組態(tài)不用物理連線可對設(shè)備進(jìn)行組態(tài)的能力。 無線現(xiàn)場設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)部件必須具有在危險區(qū)正常運(yùn)行的性能。 當(dāng)前生產(chǎn)和使

30、用的HART設(shè)備也可具有無線HART通道，作為冗余通信信道。 允許設(shè)備間通過無線網(wǎng)絡(luò)交換信息、擴(kuò)展HART 6（存取設(shè)備參數(shù)變量）的能力。35無線HART通信的要求（2/4）成本和使用簡便 網(wǎng)絡(luò)安裝和維護(hù)成本要比有線網(wǎng)絡(luò)少一個數(shù)量級（至少1/2，目標(biāo)是1/10），例如安裝難度不超過無線家庭網(wǎng)絡(luò)、不要求對安裝現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)評估。 設(shè)備安裝成本小于或等于有線設(shè)備。信息安全 網(wǎng)絡(luò)對于“非授權(quán)接入”的信息安全能力（如加密、周期性對授權(quán)密鑰自動賦值要優(yōu)于有線系統(tǒng)，不會對用戶帶來任何影響）36無線HART通信的要求（3/4）性能和可靠性 電源管理電池壽命至少3年。最佳目標(biāo)為與設(shè)備的壽命相同（15年以上），這與

31、應(yīng)用的具體要求和環(huán)境條件有關(guān)。 在要求高可靠的通信時，HART無線網(wǎng)絡(luò)支持冗余無線路徑和冗余網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。 為現(xiàn)場儀表組態(tài)、調(diào)試投運(yùn)，由移動設(shè)備（手持式操作器、PDA、便攜式電腦）與現(xiàn)場設(shè)備的無線鏈接，其最佳響應(yīng)時間性能與現(xiàn)有的手持式操作器相同，目標(biāo)小于10秒。 無線請求/響應(yīng)延遲的最佳性能與有線相似，最大的可接受性能與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛻?yīng)用有關(guān)。 在對無線網(wǎng)絡(luò)安裝評估、測試和監(jiān)控性能是網(wǎng)絡(luò)管理工具（如物理信道的信號質(zhì)量測量、接受信號強(qiáng)度指示器、位出錯率或包出錯率監(jiān)控和鏈接質(zhì)量指示器）37無線HART通信的要求（4/4）共存性和可互操作性在同一邏輯HART網(wǎng)絡(luò)中，有線HART儀表和無線HART儀表

32、其共存性和可互操作性能不致變差。在同一個無線網(wǎng)絡(luò)中，無線HART設(shè)備與無線非HART設(shè)備的共存性，表現(xiàn)為在運(yùn)行限制內(nèi)，以及對信息安全、性能、可靠性、功耗和帶寬影響最小等方面。無線HART儀表必須在全世界都能用，都具有互操作性，也就是說目標(biāo)是全球使用單一頻帶，最壞情況匯報是使用3個頻帶（即歐洲、北美和其他所有地方）。在同一個無線空間中，無線HART設(shè)備與無線非HART設(shè)備的共存性，表現(xiàn)為對信息安全、性能、可靠性、功耗和帶寬影響最小。與RFID標(biāo)記（供識別和定位）的共存性表現(xiàn)為對信息安全、性能、可靠性、功耗和帶寬影響最小。在同一個無線空間不同無線HART網(wǎng)絡(luò)群的共存性，例如有兩種不同的應(yīng)用要求，一

33、是高采樣率網(wǎng)絡(luò)，另外一個為低采樣率網(wǎng)絡(luò)。與其他無線網(wǎng)絡(luò)的共存性，最佳是在保證最好性能的前提下可自動忽略其它信道，最差則可用手動選擇信道。38無 線 HART 的 通 信 模 型OSI模型物理層(PHY)IEEE 802.15.4/2.4GHz(目前) 915MHz(未來)數(shù)據(jù)鏈路層/MAC以TDMA為基礎(chǔ)、兼帶CSMA增強(qiáng)混合協(xié)議 數(shù)據(jù)包跳頻網(wǎng)絡(luò)層以全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基線若要精簡功能性，用戶可組態(tài)若要求特殊拓?fù)?，用戶可組態(tài)傳輸層分隔在應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間會話層包括在應(yīng)用層內(nèi)表示層包括在應(yīng)用層內(nèi)應(yīng)用層用戶定義/與電子設(shè)備描述語言eDDL信息安全基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電源路由選擇要考慮電源狀態(tài)問題MACPHY2

34、.4GHzAPI安全層32-/64-/128位加密應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層 拓?fù)湫切?網(wǎng)格/簇形樹狀I(lǐng)EEE802.15.4無線HART用戶芯片通信棧應(yīng)用39無線HART為什么不采用ZigBee工作組曾考慮過采用ZigBee，但在審視了無線HART的要求后認(rèn)為ZigBee存在以下問題：ZigBee網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、FFD和RFD3種類型的節(jié)點構(gòu)成， 其中RFD確為低功耗，但不能處理Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由，限制了無線HART網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)可縮； FFD可處理Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由，但它必須一直處于工作狀態(tài)，要實現(xiàn)低功耗較難； 在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān))，冗余網(wǎng)關(guān)尚難解決； ZigBee雖然在2.4

35、G頻帶有16個頻道，對于一個具體設(shè)備只能設(shè)置一個頻道，當(dāng)在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)已設(shè)置頻道有干擾時必須重新由人工設(shè)置另外的頻道，頻道選擇不夠靈活。40無線HART網(wǎng)絡(luò)(Mesh網(wǎng)格拓?fù)?HART變送器(附路由器)HART中繼器HART網(wǎng)關(guān)41無線HART網(wǎng)絡(luò)(混合Mesh網(wǎng)格/星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?HART變送器(附路由器)HART中繼器HART網(wǎng)關(guān)42一個基于無線短程網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實例焊接過程參數(shù)的無線監(jiān)控系統(tǒng)43開發(fā)焊接過程無線監(jiān)控系統(tǒng)的必要性（1/2）目前國內(nèi)只有5家企業(yè)擁有國家核安全局頒發(fā)民用核承壓設(shè)備制造資格許可證。而通過ASME核電規(guī)范產(chǎn)品保證體系的審核，是具備國際資質(zhì)的核電設(shè)備制造企業(yè)的必要條件。某鍋爐

36、廠有限公司是國內(nèi)電站鍋爐、核電用壓力容器、化工過程用壓力容器的主流生產(chǎn)廠之一，近年來生產(chǎn)發(fā)展極為迅速。這些產(chǎn)品的焊接過程具有單件加工、無固定工作臺、加工周期一般較長、產(chǎn)品的質(zhì)量與加工過程的各種參數(shù)密切相關(guān)等特點。對于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，過去一直沿用眼看手記的傳統(tǒng)方法。這種方法顯然不能滿足實時、真實的要求。需要創(chuàng)建一種無線數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，以達(dá)到對生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行靈活、及時的采集和分析，在線掌握車間的加工質(zhì)量信息。44開發(fā)焊接過程無線監(jiān)控系統(tǒng)的必要性（2/2）高壓容器的加工對焊接質(zhì)量要求極嚴(yán)。選擇正確的焊接方法和焊接工藝是保證焊接質(zhì)量的前提。焊接工藝規(guī)定，在焊接過程中焊接電流、電

37、壓必須保持在容許的參數(shù)區(qū)間內(nèi)，被焊工件的預(yù)熱溫度也是直接關(guān)系到焊接質(zhì)量的重要參數(shù)。如果焊接厚度大，要進(jìn)行多次焊接才能完成，那么在焊接過程中，對焊層之間的層間溫度的監(jiān)控，同樣是關(guān)系設(shè)備運(yùn)行安全的必不可少的措施。如果我們能對整個焊接過程中以上各參數(shù)進(jìn)行全程采集和監(jiān)控，對提高焊接加工的質(zhì)量講是至關(guān)重要的。問題在于車間大，項目多，同時有多臺焊機(jī)作業(yè)，而焊機(jī)往往又分散分布，依靠質(zhì)檢人員巡視監(jiān)督，巡回一輪的時間在半個小時以上。費(fèi)時費(fèi)力不說，尚難免有所疏漏。最好的辦法當(dāng)然是建立一個自動的焊接過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 45焊接過程質(zhì)量無線監(jiān)控系統(tǒng)功能和構(gòu)成系統(tǒng)功能:焊接過程參數(shù)測量、顯示、記錄和報警報表記錄、顯示、

38、打印系統(tǒng)構(gòu)成： 焊接參數(shù)測量儀表或傳感器； 基于IEEE 802.15.4/ZigBee無線傳輸技術(shù)的無線短程網(wǎng)絡(luò)，包括協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點； 上位計算機(jī)及相關(guān)應(yīng)用軟件。 46協(xié)議TCP/IP網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)監(jiān)控中心 公司內(nèi)部局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器ModBus終端節(jié)點01路由節(jié)點02路由節(jié)點01終端節(jié)點02終端節(jié)點03路由節(jié)點03路由節(jié)點04路由節(jié)點05終端節(jié)點04路由節(jié)點06終端節(jié)點05終端節(jié)點06監(jiān)控機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖47無線節(jié)點安裝方位示意圖 通過對工業(yè)現(xiàn)場實地進(jìn)行無線通信試驗后，最終確定了網(wǎng)絡(luò)組成。整個網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee監(jiān)控節(jié)點，9個路由節(jié)點，和若干個可移動現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點構(gòu)成。4

39、8點對點快速傳輸測試首先進(jìn)行點對點大流量通訊測試：一節(jié)點作主動節(jié)點，發(fā)出查詢包并接收返回包，一個節(jié)點作被動節(jié)點，接收查詢包并發(fā)送返回包給主動節(jié)點。主動節(jié)點每次發(fā)包中間沒有設(shè)置人為延時，收到即發(fā)，如果100ms沒有收到，則認(rèn)為是超時，發(fā)送下一查詢包測試結(jié)果表明：即使在不加任何保護(hù)，不采用路由方式的快速傳輸效果，即使在工況比較惡劣的情況下也是可以接受的。測試結(jié)果如下：測試距離測試條件發(fā)包數(shù)收包數(shù)丟包率60米無遮擋物，ZigBee無重發(fā)26547264990.18%50米視距有遮擋物，ZigBee無重33%49無線系統(tǒng)的性能測試結(jié)果測試條件跳數(shù)發(fā)包數(shù)收包數(shù)丟包率發(fā)送間隔Zi

40、gBeeModbus1秒有重發(fā)無重發(fā)2876287610.01%1秒有重發(fā)無重發(fā)3847384700.035%1秒有重發(fā)無重發(fā)4867586630.13%30秒 有重發(fā)無重發(fā)2577357730%30秒 有重發(fā)無重發(fā)3544854480%30秒 有重發(fā)無重發(fā)4529952980 .018%60秒 有重發(fā) 無重發(fā)2344634460%60秒 有重發(fā) 無重發(fā)3364236420 %60秒 有重發(fā) 無重發(fā)4285728570 %在上位機(jī)通過串口工具每隔一定時間發(fā)送一次ModBus協(xié)議包，分別發(fā)往不同跳數(shù)(hop)的節(jié)點。50系統(tǒng)的無線傳輸完全滿足用戶需求根據(jù)數(shù)據(jù)可以很明顯的看出在發(fā)送時間比較短的情況

41、下，丟包率隨著跳數(shù)的增加顯著提高。但是在發(fā)送間隔增大后，丟包率并沒有隨著跳數(shù)有很大的變化。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)送時間很短的情況下，由于每一跳網(wǎng)絡(luò)傳輸都需要占用時間，因此在4跳的情況下，相當(dāng)于上位機(jī)一次的發(fā)送接收要經(jīng)歷8次ZigBee傳輸，任何一跳出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致傳輸失敗。同時由于發(fā)送時間很短，易出現(xiàn)前后兩個包互相干擾的情況，而重發(fā)機(jī)制所起到的作用不大。在發(fā)送間隔擴(kuò)大到30秒鐘后，基本沒有出現(xiàn)丟包的問題。對于用戶的實際需求，大型堆焊機(jī)的查詢間隔大約為15-20分鐘，手工電弧焊大約為60秒，加之上位機(jī)有ModBus重發(fā)機(jī)制，系統(tǒng)完全能夠滿足用戶的需要。51ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的三種節(jié)點網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

42、：ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點地址的分配；生成網(wǎng)絡(luò)路由表，動態(tài)地與網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點通訊，完成本無線監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、維護(hù)功能；轉(zhuǎn)換通訊協(xié)議的網(wǎng)關(guān)作用，即把采集終端節(jié)點由路由節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)（ZigBee 格式）轉(zhuǎn)換為MODBUS協(xié)議的格式，并通過上位計算機(jī)串口RS232C輸往在上位監(jiān)控軟件，完成監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集功能。路由節(jié)點：完成網(wǎng)絡(luò)路由功能，將由終端節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡(luò)接力傳輸發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。 終 端 節(jié) 點：將測量的現(xiàn)場信號變換成數(shù)字信號，保存在寄存器內(nèi)。終端節(jié)點將數(shù)據(jù)處理為ZigBee的數(shù)據(jù)包格式，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)最終傳到上位監(jiān)控機(jī)。終端節(jié)點由3部分構(gòu)成:傳感器

43、、終端設(shè)備、電源。52焊接電流電壓終端節(jié)點焊機(jī)終端設(shè)備電流互感器+-電壓變送器電壓信號轉(zhuǎn)換器開 關(guān) 電 源220V AC該類型節(jié)點通過電流互感器和電壓變送器測量焊機(jī)的電流電壓信號。 電流互感器測量焊機(jī)的電流，輸出0-5V信號，電壓信號轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成420mA信號，終端設(shè)備接受420mA后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，保存在寄存器內(nèi)，以供讀取。 電壓變送器測量焊機(jī)的電壓，輸出420mA給終端節(jié)點，終端設(shè)備接受后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，保存在寄存器內(nèi)，供讀取。53預(yù)熱溫度終端節(jié)點工件紅外溫度儀終端節(jié)點蓄 電 池DC 4-20mADC 12V該類型節(jié)點測量待焊接工件的預(yù)熱溫度信號。預(yù)熱溫度的測量通過紅外溫度儀，輸出

44、420mA給終端節(jié)點，終端設(shè)備接受后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，保存在寄存器內(nèi)，供讀取。 紅外溫度儀的供電要求是12V DC，終端節(jié)點的供電要求是49V DC。由于預(yù)熱溫度終端節(jié)點在待加工工件附近，獲取220V AC較困難，因此采用蓄電池供電，蓄電池輸出6V和12V，分別給終端設(shè)備和紅外溫度儀。 54軟 件 功 能 模 塊 設(shè) 計 根據(jù)功能的定義，軟件設(shè)計被分為以下幾個模塊： ZigBee無線傳輸部分； 加入網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)模塊； ModBus功能模塊； 看門狗模塊； 現(xiàn)場4-20mA模擬信號模塊； 顯示模塊； 按鍵處理模塊； 非可失性內(nèi)存操作模塊遠(yuǎn)程配置和調(diào)試模塊（主要完成安裝與調(diào)試過程中對節(jié)點的配置工

45、作以及正常工作狀態(tài)下的操作和調(diào)試）55ZigBee協(xié)議棧的操作系統(tǒng)OSALZigBee協(xié)議棧是運(yùn)行在OSAL的操作系統(tǒng)之下。采用任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個任務(wù)都包含若干個事件，每個事件都對應(yīng)一個事件號。當(dāng)一個事件產(chǎn)生時，對應(yīng)任務(wù)的Event就被設(shè)置為相應(yīng)的事件號，這樣事件調(diào)度就會調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。OSAL中的任務(wù)可通過任務(wù)API添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖所示。通過ActiveTask的值來決定是否執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)函數(shù)ActiveTask() N Y 圖5.16 OSAL操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度機(jī)制任務(wù)事件查詢函數(shù) 返回任務(wù)的事件狀態(tài) 56基于ZigBee 監(jiān)控系統(tǒng)的Task流程57上位計算機(jī)及人機(jī)界面軟件上位機(jī)選用Dell