無線傳感網(wǎng)絡

1、在大型工業(yè)企業(yè)中，從國內工業(yè)企業(yè)現(xiàn)有狀況看，工業(yè)企業(yè)的DCS, PLC等基 本上呈現(xiàn)一種自成體系各自封閉的發(fā)展局面，大量信息被離散分布在不同地點的 異構環(huán)境里，每一個系統(tǒng)只被少數(shù)人訪問，這種狀態(tài)導致了員工無謂的工作和大 批生產實時數(shù)據(jù)的丟失及滯后，極不利于更好地保障企業(yè)生產和及時決策分析。 而且隨著企業(yè)管理的不斷提高，網(wǎng)絡應用的普及和應用的深入及企業(yè)自動化的要 求，管控一體化顯得越來越重要，管理網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡有機的結合使得異構網(wǎng)絡 環(huán)境中數(shù)據(jù)可互通互用，從而達到能在分布于全廠的管理網(wǎng)的工作站上進行生產 監(jiān)控、管理、事故分析，這樣不僅解決，自動化孤島”問題，同時也拓展了工控系 統(tǒng)的功能。在這樣的

2、設備數(shù)量多、地域分散、環(huán)境惡劣等特點，在進行實時監(jiān)控， 傳統(tǒng)方法在布線和網(wǎng)絡支持等方面表現(xiàn)出很大的缺陷。從整個工業(yè)監(jiān)控領域看，選用無線通信技術是發(fā)展的趨勢。而隨著計算機技術、 通信技術與網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展和普及，特別是嵌入式計算技術和傳感器技術的 廣泛應用，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器構成的無線傳感器 網(wǎng)絡，引起了人們的極大關注，被稱為二十一世紀最具影響的技術之一，具有巨 大的科學意義和應用前景。其中ZigBee技術最受關注。其應用優(yōu)勢在于，具有ZgBee功能的設備可以非常 容易地在一個小范圍內組成臨時專用網(wǎng)絡，并使這些設備通過這個專用網(wǎng)絡方便 地建立一種標準的線連接，以取代有

3、線電纜來進行數(shù)據(jù)傳輸。本項目所采用的ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成 本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設 備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳 輸?shù)膽?，可工作?.14GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國 流行）3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳 輸距離在10-75m的范圍內，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術,ZigBee具 有如下特點：（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,

4、而且采用了休眠 模式,功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池 就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。（2）成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關 鍵的因素。（3）時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備 時延30ms，休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15ms。因此 ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的Zigbee網(wǎng)

5、絡最多可以容納254個從設備和 一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡組成靈 活?？煽浚翰扇×伺鲎脖苊獠呗?，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專 用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以 進行重發(fā)。安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能， 支持鑒權和認證，采用了 AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬 性。隨著生產力的進步，設備的分布越來越離散。單一的，各自獨立的監(jiān)測系統(tǒng)已不能適應工業(yè)化的需求，于是便需 將各

6、個獨立設備結成為局域網(wǎng)。WLAN作為無線局域網(wǎng)通信技術，應用于工業(yè) 監(jiān)控系統(tǒng)在很大程度上提高了監(jiān)控系統(tǒng)的易用性和可用性，尤其在下面的一些 情況下引入無線通信子網(wǎng)是非常必要的：在某些場合應用會受到布線的限制，布線、改線工程量大線路容易損壞要把相 隔較遠的節(jié)點連接起來而鋪設專用通信線路，其布線工程難度大，耗費人力、物 力。監(jiān)控系統(tǒng)的通信網(wǎng)中存在移動節(jié)點如監(jiān)控系統(tǒng)中有移動機器人、自動導航車等 移動設備。基礎設施不需要再埋在地下或隱藏在墻里，減少線路連接，保持工業(yè)現(xiàn)場整潔 安全。無線傳感器網(wǎng)絡是工業(yè)自動化的新熱點圖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

7、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)）。工業(yè)以太網(wǎng)陸柬I*工業(yè)以太網(wǎng)陸柬I*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

8、的 工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡產品？來開發(fā)我們自己需要的無線工業(yè)自動化項目？二、選擇合適的微控制器和開發(fā)平臺圖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。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。MC

9、I 3224無線單片機CC2530SW 片虬CC252n+MSP43.nf5437成U備構匡芯片，內 核，電位州CU田芯片M51內核 日位MCU兩片佶位MCU移高頻n菊IEEE 皿 15,41EEE802.15.4IEEE 明 2,15.4出網(wǎng)嬉腿ZigEee PRO 井源和免肆Zig Bee PRO 外源和免費ZigBee PRO 升源和免鬢潮1DDDBM100 DBM100 DBM楣帝129K256K256K低功耗時電也毒命和軍5年5年芯片大窒采購價格每片4美元每片3美元每套7美無軟件并發(fā)平臺IAR EWARMIAR EWB051(AR EW430破件開發(fā)系統(tǒng)C61RF-CC2&30-PK

10、MSP RF-43UF 5437在渤真器ARMWXL-CC2530TI 430雇翻!喊工具闞谿分膏儀網(wǎng)緡分桁儀雨塔分析枚采用上述方案，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，最大的特點是經濟和方便，因為無線單片機芯片價格很低，甚至已經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

11、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、ZigBee PRO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ZigBee 2006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。高可靠性：大部分的工業(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)，ZigBee PRO協(xié)

12、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（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，ZigBee PRO可以進行 路由修復，另選

13、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)絡使用的可靠性，ZigBee PRO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ZigBee PRO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，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。ZigBe

14、e PRO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。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

15、的能源的工業(yè)用無 線傳感器網(wǎng)絡。安全性：隨著工業(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(High Security Mode)，就是當節(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)點建立連結金鑰(Link Key)，最后再利用連結金鑰加密后產生一把網(wǎng)路共用的網(wǎng) 路金鑰，網(wǎng)路金鑰(NWK K

16、ey)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。ZigBee PRO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ZigBee PRO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

17、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ZigBee PRO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ZigBee PRO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)絡項目和產品。四、有線到無線，我們笑迎新的技術挑戰(zhàn)通過上面的簡單介紹，我們看到任何工程師，都有機會來進入這個全新的技術領域，入門并不難，精通也 辦得到。這是因為我們生活在互聯(lián)網(wǎng)時代，也是因為國內在這個領域已經有像成都無線龍通訊這樣的一批 先行者，他們出版了相關中文書籍(北航出版無線單片機叢書十本，最新一冊是ZigBee 2007PRO入 門與實戰(zhàn))，

18、提供相關C51RF、MSPRF、ARMRF系列低價格無線單片機開發(fā)工具，同時對ZigBee PRO 這樣的協(xié)議棧的應用提供相關技術支持，提供高頻模塊等服務，這樣，就使我們入門進行設計開發(fā)時，更 加方便容易，另外，TI/Freescale公司，提供了廉價的無線單片機芯片，高性能的免費無線網(wǎng)絡協(xié)議棧。這 些，都為我們投入這個全線的技術領域一一相對復雜的工業(yè)自動傳感器網(wǎng)絡和無線工業(yè)自動控制領域，打 開了方便之門。本文重點介紹的是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡部分的實現(xiàn)，其實，在已經實現(xiàn)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡和節(jié)點間雙向 通訊的前提下，實現(xiàn)對工業(yè)設備的無線控制控制，包括繼電器，I/O,開關控制，電機控制，都已經是很容

19、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。目前研究熱點在通信協(xié)議方面，包括物理層協(xié)議，研究傳感器網(wǎng)絡采用的傳輸媒體、頻段選擇 及調制方式；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議；網(wǎng)絡層協(xié)議（主要指路由協(xié)議；平面路由協(xié)議等）。在傳感器網(wǎng)絡管理方面，主要的研究熱點是能量管理，數(shù)據(jù)傳送所帶來的能耗最 大，研究休眠、喚醒，以及采用發(fā)送功率低的RF等?？刂乒?jié)點對能量的使用， 在各層上都可使用，如操作系統(tǒng)、物理層、鏈路層、路由協(xié)議等內容。另外，還有安全管理的內容，包括傳統(tǒng)的無線電電磁干擾方式和對路由機制進行 攻擊。侵入節(jié)點發(fā)送誤警數(shù)據(jù)，侵入節(jié)點致使網(wǎng)絡的某些節(jié)點和某些網(wǎng)段互發(fā)大 量的無用數(shù)據(jù)，使能量很快耗盡，傳感器網(wǎng)絡分立，形成監(jiān)測黑洞，無法完成正 常監(jiān)測工作。在研究中，可以探索采用