采用ZigBee PRO自己動手設計的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡

采用ZigBeePRO自己動手設計的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡一、無線傳感器網(wǎng)絡是工業(yè)自動化的新熱點無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關注，被稱為二十一世紀最具影響的技術之一。改變世界的10大新技術之一。全球未來的四大高技術產(chǎn)業(yè)之一。而無線傳感器網(wǎng)絡技術很快也將進入工業(yè)自動化和工業(yè)測控領域，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，或風能、機械振動發(fā)電等），網(wǎng)絡路由器（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡路由功能）和無線網(wǎng)關（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)絡由于市場巨大，許多在工業(yè)自動化領域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品和系統(tǒng)，國內也有不少研究機構和大型公司在進行相關研究，但是，涉及無線傳感器網(wǎng)絡的技術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，來設計適合自己應用需要的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡產(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技術的發(fā)展，將使我們的夢想，將變?yōu)楝F(xiàn)實，目前應該是一個明顯的轉折點和交匯點?；卮鸬目隙ǖ模何覀兺耆赡茏约簞邮?，設計適合自己應用特點的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡。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，以及馬達、器械運轉時產(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)絡的核心微處理器提出了新的挑戰(zhàn)。我們自己動手設計在這樣環(huán)境中運行的工業(yè)網(wǎng)絡系統(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)絡節(jié)點硬件結構示意圖。AA普通電池或者血用鋰電池溫度.光敏.加速度.溫度.其它多種□k溫度.光敏.加速度.溫度.其它多種□k傳感器等MC13224、CC2530、>CC2520等無線單片機SoC圖2 工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點示意圖目前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，高度集成化設計，微處理器和無線收發(fā)部分在同一芯片內部，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)絡的網(wǎng)關，路由器和傳感器節(jié)點，都可以使用同一微處理器來設計。主要參數(shù)MC13224無線單片機CC2530無線單片機CC2520+MSP430F5437MCU結構單芯片,ARM7內核，32位MCU單芯片8051內核8位MCU兩片16位MCU無線高頻前端無線網(wǎng)絡協(xié)議ZigBeePRO開源和免費ZigBeePRO開源和免費ZigBeePRO開源和免費無統(tǒng)至接髓路>100DBM>100DBM>100DBM內置閃存128K256K256K低功耗時電池壽命10年5年5年芯片大量采購價格每片4美元每片3美元每套7美元軟件開發(fā)平臺IAREWARMIAREW8051IAREW430硬件開發(fā)系統(tǒng)ARMRF.MC13224-PKC51RF-CC2530-PKMSPRF-430F5437在線仿真器ARMWXL-CC2530TI430網(wǎng)絡測試工具網(wǎng)絡分析儀網(wǎng)絡分析儀網(wǎng)絡分析儀采用上述方案，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，設計者可以放手進行設計和調試，不必擔心芯片損壞等。另外目前國內嵌入式設計的知識已經(jīng)相當普及，設計工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，路由器，節(jié)點和設計我們熟悉的普通單片機系統(tǒng)，核心技術沒有什么不同，而且IAR編譯，調試系統(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計的過程，在這些高級調試開發(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，快捷容易的完成設計任務。三、ZigBeePRO符合工業(yè)無線網(wǎng)絡設計要求與面向家庭的無線網(wǎng)絡技術（ZigBee2004到ZigBee2006屬于這類面向家庭的技術）不同，面向工業(yè)自動化應用的無線網(wǎng)絡技術需要滿足以下五個方面需求?！龈呖煽啃裕捍蟛糠值墓I(yè)控制應用要求數(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)，ZigBeePRO協(xié)議棧采用2.4GHz物理層都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列擴頻）技術（包括數(shù)據(jù)的調制，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層和應用層（APS部分）有應答重傳功能，另外MAC層的C弛人機制使節(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，ZigBeePRO可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信。同時ZigBeePRO最新增加的頻率捷變（frequencyagility）,也大大加強其作為工業(yè)網(wǎng)絡使用的可靠性，ZigBeePRO網(wǎng)絡受到外界干擾，比如各種工業(yè)現(xiàn)場的無線干擾，無法正常工作時，整個ZigBeePRO網(wǎng)絡可以自動動態(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)絡協(xié)議比較，ZigBeePRO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ZigBeePRO無線網(wǎng)絡協(xié)議棧。■嚴格實時性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應低于1.5倍的傳感器采樣時間。ZigBeePRO網(wǎng)絡針對工業(yè)通信對時延敏感的應用做了優(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?！龅湍芎模河糜趯I(yè)全流程進行泛在感知的無線傳感器網(wǎng)絡節(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計，節(jié)點的電池壽命應達到3至10年。能夠實現(xiàn)使用最少的能源的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡?！霭踩裕弘S著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化進程的推進，網(wǎng)絡安全和數(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雜。為了工業(yè)網(wǎng)絡應用設計了高安全模式(HighSecurityMode),就是當節(jié)點加入網(wǎng)路時，信托中心(TrustCenter,TC)會先配一把萬能金鑰(MasterKey)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)點建立連結金鑰(LinkKey),最后再利用連結金鑰加密后產(chǎn)生一把網(wǎng)路共用的網(wǎng)路金鑰，網(wǎng)路金鑰(NWKKey)放在應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。ZigBeePRO安全設計，完全能夠實現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡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)復雜的安全算法的能力，對應工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡提出的挑戰(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設計的無線網(wǎng)關，能夠實現(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)絡的重要標準，是具有很好兼容性的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡協(xié)議軟件。綜上所述，以傳感和控制為目標ZigBeePRO無線網(wǎng)絡，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ZigBeePRO協(xié)議棧，完全可以設計出圖2所示結構那樣，滿足自己特別應用要求的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡項目和產(chǎn)品。四、有線到無線，我們笑迎新的技術挑戰(zhàn)本文重點介紹的是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)