無線網路控制工業設備

1. 有線區域網和無線區域網的結合論文```詳細``謝謝

在工業控制系統中，應用現場匯流排技術、乙太網技術等，可實現系統的網路化，提高系統的性能和開放性，但是這些控制網路一般都是基於有線的網路。有線網路高速穩定，滿足了大部分場合工業組網的需要。但是，有線網路只能沿著一維的線路傳輸數據，傳輸需要導體介質，因而帶來規劃布線、預設介面、線路檢測、線路擴容等一系列和傳輸途徑有關的工作，並且這些工作不可避免地具有破壞建築、浪費介面、檢修困難、擴展困難的弊病。在現代控制網路中，許多自動化設備要求具有更高的靈活性和可移動性，當工業設備處在不能布線的環境中或者是裝載在車輛等運動機械的情況下，是難以使用有線網路的。與此相對應，無線網路向三維空間傳送數據，中間無需傳輸介質，只要在組網區域安裝接入點（Access Point）設備，就可以建立區域網；移動終端只要安裝了無線網卡就可以在接收范圍內自由接入網路。總之，在網路建設的靈活性、便捷性、擴展性方面，無線網路有獨特的優勢，因此無線區域網技術得到了發展和應用。隨著微電子技術的不斷發展，無線區域網技術將在工業控制網路中發揮越來越大的作用。

一、無線區域網簡介

一般來說，凡是採用無線傳輸媒體的區域網都可稱為無線區域網。這里的無線媒體可以是無線電波、紅外線或激光。無線區域網（Wireless LAN）技術可以非常便捷地以無線方式連接網路設備，人們可隨時、隨地、隨意地訪問網路資源，是現代數據通信系統發展的重要方向。無線區域網可以在不採用網路電纜線的情況下，提供網路互聯功能。

1.無線協議簡介

無線區域網絡協議標准建立至今已有較長時間，但由於無線區域網速度低、協議標准不統一、價格昂貴，用戶為保護投資，不願意使用無線網路，因此無線區域網並沒有得到廣泛應用。近幾年來，隨著速率較高的無線通訊協議開始推出，無線區域網得到快速發展。

IEEE802.11是IEEE802標准委員會在1997年通過的第一個無線區域網的國際標准。1999年9月，該委員會又頒布了IEEE802.11b標准，包含了ISO／OSI模型的物理層和媒體訪問控制層（MAC）。該標准工作在2.4 GHz，傳輸速率可達11 Mbps。 IEEE802.11b標准將節點設備分為基站和客戶站，各客戶站相互間可直接通信，也可在基站的統一管理下進行通信。一個基站與一組客戶站的連接稱為基本服務集BSS（Basic Service Set），兩個或多個BSS構成擴展服務集。IEEE802.11b標准規定了物理層的三種實現方法，即跳頻擴展頻譜方式FHSS、直接序列擴展頻譜方式DSSS和紅外技術IR。在MAC層採用CSMA／CA（載波偵聽多路訪問／碰撞避免）技術進行通信介質訪問。為了盡量減少沖突。802.11b設計了獨特的MAC子層，如圖1所示。下面的一層叫做分布協調功能DCF（Distributed Coordination Function）子層，該子層使各個節點採用競爭的方式使用信道，向上提供爭用服務。這種信道接入方式可能會導致沖突的發生，但是對信道的利用率較高。上面的一層叫做點協調功能PCF（Point Coordination Function）

圖1 IEEE802.11的MAC子層

子層，該子層使用集中控制的接入演算法，基站以輪詢的方式將通信權輪流交給各個客戶站，從而避免了沖突的發生。但是基站需要周期性的輪詢所有客戶站，需要佔用大量的時間，因此適用於中、小型網路。無線區域網的技術還在不斷發展。美國Radia－ta和Atheros公司分別宣布將推出IEEE802.11a晶元組。802.11a的數據傳輸速率為54 Mbps。Atheros公司宣稱，他們的晶元組在「Turbomode」（強化模式）下，速率可以達到72 Mbps。對802.11a來說，不僅僅是傳輸速率的提高，它將工作在5 GHz的頻率上，從而避開了擁擠的2.4 GHz頻段。2001年11月15日，IEEE試驗性地批准了一種新技術802.11g，該技術可以提升家庭、公司和公共場所的無線互聯網接入速度，該技術使無線網路每秒傳輸速度也可達54 Mbps，比現在通用的802.11b要快5倍，並且和802.11b兼容。以上介紹的技術標准可通過下表1進行對比。

表1 技術標准、頻率分配及傳輸速率

技術標准
制定年份
頻率佔用
最高速率
調制技術

802.11
1997
2.4GHz
2Mbps
FHSS

802.11b
1999
2.4GHz
11Mbps
DSSS

802.11a
1999
5GHz
54Mbps
OFDM

802.11g
2000
2.4GHz
54Mbps
DSSS

說明：

1.802.11、802.11b、802.11g都工作在2.4GHz的ISM（工業、科學、醫療）公共頻段，無需向無委申請；而802.11a工作在5GHz頻段，該頻段目前暫不開放，需要申請。

2.802.11a和802.11g物理層速率最高都可達54Mbps，傳輸層速率最高也可達25Mbps，但穩定性有待進一步改善，且成本也較高。而802.11b最高速率可達11Mbps，因為起步較早，技術較為成熟，成本也不高，將是未來最有前途的無線區域網標准，下面重點介紹802.11b標准。

二、IEEE 802.11b無線網路標准

1． 無線區域網的物理層

無線區域網同傳統有線區域網的區別，表現在物理層上就是無線區域網一般用無線電作為傳輸介質，而不是傳統的電纜。對於IEEE 802.11b無線區域網，有三種可選物理層：跳頻擴頻（FHSS）物理層、直接序列擴頻（DSSS）物理層和紅外線（IR）物理層。物理層的選擇取決於實際應用的要求。跳頻擴頻和直接序列擴頻是通信技術中兩種常用的擴展頻譜技術，用以提高無線信道的利用率和數據通信的安全性。目前大多數基於IEEE 802.11b的無線區域網產品的物理層介質工作在2.4000～2.4835GHz的無線射頻頻段（ISM頻段），採用直接序列擴展頻譜技術以提供高達11Mbps的數據傳輸速率。

2． 無線區域網的MAC協議

原則上講，無線區域網的MAC協議和有線區域網的MAC協議並無本質上的區別。然而，由於無線傳輸媒體固有的特性以及移動性的影響，無線區域網的MAC協議不能沿用原有的區域網協議。例如，IEEE 802.3的MAC層採用CSMA/CD來使各個不同的站點共享同一物理信道。而實現CSMA/CD的一個重要前提是，各站點能夠非常容易地實現沖突檢測功能。在有線區域網（如乙太網）的情況下，可根據檢測電纜線上直流分量的變化容易地實現沖突檢測。然而在使用無線傳輸媒體時，由於以下的原因，很難實現沖突檢測。

1） 沖突檢測的能力要求各站能同時發送（發送自己的信號）和接收（決定其他站的傳輸是否干擾自己的傳輸），這將增加信道的花費。

2） 更重要的是，由於隱藏終端問題的存在，即使一個站有沖突檢測的能力，並已經在發送時檢測到沖突，在接收端仍然會有沖突發生。

鑒於以上原因，無線區域網協議標准IEEE 802.11b採用了一種具有沖突避免的載波監聽多路訪問（CSMA/CA）協議實現無線信道的共享。

一種簡單的CSMA/CA可實現如下：在數據包傳輸之前，無線設備將先進行監聽，看是否有其他無線設備正在傳輸。若傳輸正在進行，該設備將等待一段隨機決定的時間，然後再監聽，若沒有其他設備正在使用介質，該設備開始傳輸數據；因為很有可能在一個設備傳輸數據的同時，另一個設備也開始傳輸數據，為了避免此類沖突造成的數據丟失，接收設備檢測所收到的分組的CRC，如果正確，則向發送設備傳輸一個確認信息（acknowledgement）以指示沒有沖突發生。否則，發送設備將重復上述CSMA/CA過程。

為了使兩個無線設備同時進行傳輸（這將導致沖突）的可能性減到最小，802.11設計者使用稱為發送請求/清除以發送（RTS/CTS）的機制。例如：若數據到達無線節點指定的無線訪問點（AP），該AP將給那個無線節點發送一個RTS幀，請求一定量的時間向它傳輸數據，無線節點將用CTS幀進行回應，表示它將阻止任何其他的通信，直到AP發送完數據為止。其他無線節點也能聽到正在發生的數據傳輸，並把它們的傳輸延遲到那段時間之後。在這種方式下，數據在節點之間進行傳遞時，由設備導致的在介質上產生沖突的可能性最小。這種傳輸機制同時解決了無線區域網中的隱藏終端問題。

為了確保數據在傳輸中不丟失，CSMA/CA還引入了確認（ACK）機制，接收者在收到數據後，向發送單元發一個確認通知ACK。若發送者沒有收到ACK，表明數據丟失，將再次傳輸該數據。

3． 無線區域網實時性性能分析

IEEE 802.11b無線區域網標准在媒體訪問控制層採用CSMA/CA協議以實現無線信道的共享。在網路負荷較輕的情況下，發生沖突的機會很少，再加上一些無線網路產品採取了一些附加的措施，甚至可以完全避免沖突的發生。如Wi-LAN的無線產品AWE 120-24無線網路橋接器利用動態時間分配輪詢的方式：當有多個無線遠端設備要與基站通信時，基站會根據遠端站的ID依次詢問各個遠端站是否有數據要發送，如果有數據要發送，就給其分配時間片，如果沒有，則會繼續向下詢問，周而復始。這里的所謂動態輪詢是指用戶可以設置基站的輪詢方式，對於非活動站減少對其詢問的次數，這樣可以保證時間片不會被浪費。動態時間分配輪詢技術完全避免了沖突的發生，可以獲得比CSMA/CA更好的實時性。這使得無線技術在工業控制網路中的應用成為可能。

三、基於無線技術的網路化智能感測器介紹

計算機網路技術、無線技術以及智能感測器技術的結合，產生了「基於無線技術的網路化智能感測器」的全新概念。這種智能感測器集成了數據採集、數據處理和無線網路介面模塊，無線網路介面模塊底層網路介面（硬體介面）採用基於IEEE 802.11b的網路介面晶元，高層網路介面（軟體介面）採用TCP/IP協議，把TCP/IP協議作為一種嵌入式應用，即把TCP/IP協議固化到智能感測器的ROM中，使得現場數據的收發都以TCP/IP協議進行。這種基於無線技術的網路化智能感測器使得工業現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網路上傳輸、發布和共享。

無線區域網可以在普通區域網基礎上通過無線Hub、無線接入站(AP)、無線網橋、無線Modem及無線網卡等來實現。

在工業自動化領域，有成千上萬的感應器，檢測器，計算機，PLC，讀卡器等設備，需要互相連接形成一個控制網路，通常這些設備提供的通信介面是RS- 232或RS-485。無線區域網設備使用隔離型信號轉換器，將工業設備的RS-232串口信號與無線區域網及乙太網絡信號相互轉換，符合無線區域網IEEE802.11b和乙太網絡IEEE 802.3標准，支持標準的TCP/IP網路通信協議，有效的擴展了工業設備的聯網通信能力。

四、無線區域網在工業控制網路中的應用

工業控制系統的網路化為無線技術在工業控制系統中的應用提供了基礎和可能。近幾年很多研究人員也展開了這方面的研究工作。中國科學院沈陽自動化所的曾鵬等人以FF（現場匯流排基金會）頒布的FFHSE（高速乙太網）為藍本，結合無線乙太網標准IEEE802.11b，構造了現場級無線通信協議棧。該協議棧保持了基金會現場匯流排的通信模型，能夠完成無線設備間的時間同步和實時通信。韓國釜山國立大學的Kyung Chang Lee等人設計了協議轉換模型，實現了Profibus－DP網路和IEEE802.11無線區域網的互連。Mario Alves等人對基於廣播方式的現場匯流排／無線網路的混合網路報文傳送延遲時間進行了估算。C．Koulamas等人研究了Profibus現場匯流排與基於IEEE802.11b的DSSS物理層相結合的性能。

除了在理論上的研究工作外，在一些工業控制網路中，無線通信技術已獲得了應用。如美國羅克威爾公司在基於DeviceNet、Control－net、Ethernet／IP的三層控制網路體系中，加入了無線乙太網部分，可以實現無線通信。德國西門子公司在基於Profibus－DP、Profinet的控制網路中結合無線乙太網技術，使控制網路具有了無線通信功能。由於無線網路無可比擬的優越性，它可以免去大量的線路連接，節省系統的構建費用和維護成本，還可以滿足一些特殊場合的需要，與此同時，大大增強了系統構成的靈活性。加之無線通信技術自身的不斷改進，無線通信技術在工業控制領域中必將具有廣闊的發展空間和應用前景。

五、無線技術在工控網路中的應用方案及使用設備

1.無線工業控制的方法

通過使用基於無線技術的網路化智能感測器，結合目前市場上出現的各種基於IEEE 802.11b的無線區域網網橋，就可以實現無線區域網技術在工業控制網路中的一種應用方案。無線區域網網橋用作無線訪問點（AP），基於無線技術的網路化智能感測器採集現場數據、處理，並以TCP/IP協議對數據進行打包，通過無線鏈路發送到AP，由於無線鏈路和有線乙太網高層均採用TCP/IP協議，且低層協議對高層協議是透明的，就實現了無線網路和有線網路的無縫連接。通過Internet，就可以實現遠程監控。

2．無線設備的選擇

要實現無線網路，需要選擇的設備一般為兩種。一種為無線區域網網橋，可將多個無線站點連入已有的區域網之中；另一種為無線通訊裝置，例如無線網卡、無線Modem等。下面介紹一下研華公司的無線裝置。

A．WLAN-9200系列11Mbps工業無線區域網接入器

WLAN-9200是一款用於室外的增強11Mbps無線區域網網橋。它能夠在無須任何物理布線的情況下，將多個遠程站連接到區域網中。

特點:

·支持IEEE 802.1lb標准2.4GHz ISM頻段

·支持高級用戶驗證，提供堅固的安全性WEP128，MAC地址控制

·帶符合IP 66/NEMA 4x標準的防水銹外殼，保護系統不被損壞

·提供冷卻風扇和加熱器，防止系統過熱和過冷

·提供按鈕和LED顯示，可方便的設置溫度

·採用IP66防水介面，保護電源、LAN和無線介面

·提供各種天線，用於增大傳輸距離

WLAN-9200是一款用於室外的增強11Mbps無線區域網網橋。它能夠在無須任何物理布線的情況下，將多個遠程站連接到區域網中。這樣就節省了大量維護及組建相應電纜網路的成本。WLAN-9200帶有一個堅固的外殼，可以防止水、酸、閃電、低溫及高溫對系統的破壞。由於這些特點，WLAN-9200工作極為穩定和可靠，是室外應用的理想選擇。因此，WLAN-9200非常適合在布線困難的惡劣場所使用，如水庫和建築物。WLAN-9200與IEEE 802.1lb標准兼容，具有各種強大功能。在提供高度安全保護（WEP：128位），DHCP客戶、SNMP代理等的同時，能夠提供11Mbps的高傳輸速度。此外，為了滿足室外惡劣環境下的使用要求，WLAN-9200還提供了先進的系統保護功能：發光保護、冷卻風扇、加熱器、防水介面、工業設備箱、電源/LAN同軸電纜等。

成本低，安裝簡便

WLAN-9200可以將不同的分布式站點連接在一起，組成一個更寬范圍的無線網路。它能夠節省到遠程地點的布線成本。WLAN-9200採用了專門的設計，用戶可以方便快捷的將其裝上或拆下。此外，WLAN-9200還提供了按鈕和LED顯示，用於顯示和設置高/低溫度。用戶可以使用它快速組建自己的無線網路。為了能夠在更遠的范圍內使用，WLAN-9200還提供了各種天線，用於延長傳輸距離。

可靠穩定的堅固設計

WLAN-9200採用了先進的設計，帶有一個不生銹的防水外殼，能夠對系統起到有效的保護。它符合IP 66/NEMA 4x標准，具有耐腐蝕、防紫外線、安全和自動滅火的特點。為了防止WLAN-9200內部過熱或過冷，研華還在它的內部設計了一個冷卻風扇和一個加熱器，用戶可以設置高/低溫度設置。當工作溫度高於或低於用戶指定的溫度時，冷卻風扇或加熱器就會開始工作。此外，WLAN-9200還提供了防水介面和防閃電保護，可以對電源，區域網和天線介面起到保護的作用。

遠程站點之間的快速數據傳輸

WLAN-9200與高速無線區域網標准IEEE 802.1 lb完全兼容，它提供11Mbps（在空氣中）的速度，可以進行更快的數據傳輸。WLAN-9200在2.4GHz ISM頻段採用了DSSS技術，不會被雜訊所干擾，使數據的傳輸更加安全和可靠。

保持通信的私有性

WLAN-9200採用了多種安全功能對您的無線網路進行保護（WEP128加密，MAC地址控制及口令安全）。通過採用先進的WEP128加密，您可以選擇WEP密匙來保護您的數據，防止未授權的無線用戶查看這些數據，只有接入點和無線適配器的可接入性，多種安全機制協同工作，能夠有效防止對有線及無線網路的未授權訪問。

B.ADAM-4550系列2.4GHz無線數據機（RS-232/485介面）

ADAM-4550是一款直序擴頻無線數據機。它工作在2.4GHz的ISM波段上，該波段在全球都可以無需申請即可使用。通過RS-232或RS-485串口，ADAM- 4550可以以高達115.2Kbps的速度與計算機或其它設備進行通信。

ADAM-4550以半雙工的方式工作，並以1Mbps的速率進行無線數據傳輸。它具有100mW的輸出功率，並且如果使用自帶的小型天線，它的傳輸距離可達150米，如果使用研華的高增益室外天線，其傳輸距離可以超過20公里（視距）。

RS-485標准支持半雙工通信。這意味著使用一對雙絞線即可進行數據的發送和接收。通常由握手信號RTS（請求發送）來控制數據流的方向。但在ADAM-4550中帶有一個專門的I/O電路，它可以用來偵測數據流向，在不需要握手信號的情況下自動切換傳輸方向。

ADAM-4550無線數據機提供了可靠的「點到點」或「點到多點」的網路無線連接。一個典型應用是將一個ADAM-4550模塊通過RS-232與主計算機相連，將其它ADAM-4550模塊放置在遠程現場。每個ADAM-4550模塊都可以通過RS- 4550網路與遠程設備相連接。遠程ADAM-4550模塊將遠程數據傳送到主ADAM- 4550模塊，而主ADAM-4550模塊會通過無線傳輸向遠程ADAM-4550模塊發送控制命令。

規格

·RS-232/RS-485傳輸速率（bps）：1200，2400，4800，9600，19.2K，38.4K，57.6K，115.2K

·RS-232介面接頭：孔型DB-9

·RS-485介面接頭：插入式螺絲端子 支持AWG1-#12或2-#14-#22（0.5到2.5mm2線徑）電纜

·無線傳輸速率：1Mbps

·無線傳輸頻率：2.45GHz（標稱值）

·無線傳輸功率：100mW（標稱值）

·無線調制：直序擴頻PSK

·無線收發器地址：可軟體配置為254個不同的地址

·通信距離：550英尺有效距離（在開闊地使用2dBi全向天線的情況下），實際距離取決於環境條件、天線類型及位置

·工作溫度：-10º到70℃（14º到158℉）

·電源要求：+10~+30VDC

·功耗：4W

·尺寸：60mm×120mm（2.36」×4.41」）

特點

·可軟體配置RS-232或RS-485，數據傳輸速率可達115.2Kbps

·在有外部天線及放大器的情況下，傳輸半徑可超過20公里

·內置看門狗定時器及自動RS-485數據流控制

·擴頻無線調制

·工作在全球通用、無需申請的波段（2.4GHz）

·模塊間的1Mbps無線數據傳輸速率

·可軟體配置無線收發器地址

·方便的DIN導軌、面板或堆疊安裝

·帶有存儲通信設置的EEPROM

·支持點到點或點到多點的應用

·透明的IEEE802.1協議及用於確保數據完整性的10K緩存

·用於故障診斷的電源及數據流指示燈

·帶無線連接測試的診斷軟體

·符合FCC Part15及ETSI 3000.683/300.328標准

六、結論

通過無線區域網對工業設備進行控制簡單易行，但是成本稍高。目前，絕大多數無線控制如前所述採用的是IEEE802.11系列協議，它與我們大多區域網所採用的乙太網可以無縫連接，所以，對於用戶層測控程序沒有任何影響，只需對原有方案的物理層設備作簡單的配置即可。例如選用上述的研華的無線產品替代原有的有線通訊裝置，其它硬體及軟體配置均不受影響。

2. 工業無線網關是什麼

工業無線網關是工業物聯網不可或缺的設備，它就像人體的神經，將感知到的各類訊息傳遞給大腦進行處理，大腦經過運算判斷出要做何種反應，再由神經傳遞到全身四肢。同樣企業製造生產過程中，假如缺少了工業無線網關，就像人體的神經被切斷，無法感知到外界環境也無法控制自己的行為。
在企業的生產製造過程總，應用工業無線網關，可以方便地實現現場設備的遠程數據採集、程序遠程下載和遠程維護，滿足絕大部分工業控制器設備的聯網需求。很多企業為了提高生產效率，都會選擇天拓四方的工業無線網關，主要是它內置300+ 工業設備採集驅動，市面上應用最廣泛的西門子、施耐德、ABB、三菱、歐姆龍等其他品牌PLC/儀表/智能設備/Modbus/OPC UA/電力規約等協議，同時支持數控機床聯網採集MDC系統，像主流的西門子、Fanuc、三菱、Hass、CITIZEN西鐵城、HEIDENHAIN海德漢、KND凱恩帝等。

3. 4G模塊，wifi模塊是什麼，工作原理是什麼

4G模塊，也被叫作4G通信模塊或4G DTU模塊，他是物聯網行業具有4G通信功能的一種產品，通過4G模塊，我們可以實現工業設備數據通過無線4G網路傳輸到遠端控制中心，並從控制中心通過4G模塊遠程對工業設備進行數據通信。從而實現工業設備通過無線4G網路的集中管理集中監控。通過4G模塊可大大的減少運營人工成本。

4G模塊的工作原理

近年來物聯網行業飛速發展，通過各種物聯網模塊來代替人力，應用到了各行各業。那麼4G模塊的工作原理是怎樣的呢，我們就來分析4G模塊塔石怎麼工作的。4G模塊是基於4G網路來進行通信的，4G模塊是指支持TD-LTE和FDD-LTE等LTE網路制式的統稱。具有通信速度快、網路頻譜寬、通信靈活等特點。4G模塊在硬體上將射頻、基帶集成在一塊PCB小板上，完成無線接收、發射、基帶信號處理功能。軟體上通過4GLTE網路傳輸，對下位機modbus數據進行傳輸到伺服器端，支持心跳包，注冊包功能。並可支持軟體支持語音撥號、簡訊收發、撥號聯網等功能。

WiFi模塊又名串口Wi-Fi模塊，屬於物聯網傳輸層，功能是將串口或TTL電平轉為符合Wi-Fi無線網路通信標準的嵌入式模塊，內置無線網路協議IEEE802.11b.g.n協議棧以及TCP/IP協議棧。傳統的硬體設備嵌入Wi-Fi模塊可以直接利用Wi-Fi聯入互聯網，是實現無線智能家居、M2M等物聯網應用的重要組成部分。

串口WiFi模塊的工作原理

串口WiFi模塊的工作原理大致如下： 網路發送–TCP數據 => 模塊 =>串口數據–單片機接收，反向也是一樣的，模塊作為一個數據傳輸的通道。

智能WiFi插座支持遠程WiFi操控以及定時開關等功能，可實現在異地對家裡各種家用電器的控制，比如控制空調、電飯煲、熱水器等的開啟和關閉，操作方便省心。同時，還可以在此基礎上開發更多的功能，比如定時延時，usb充電，網路遠控，電量統計，節能省電……

4. 工業自動化領域中的無線技術

工業自動化領域中的無線技術

導語：一定條件下，在工業自動化方面，其要求對數據進行精確的定位。在測量方面，特別是在底下探測方面，具有十分廣闊的發展前景。以下是我為大家整理的工業自動化領域中的無線技術論文範文，希望大家喜歡，更多內容請瀏覽(www.oh100.com/bylw)。

【摘要】筆者概述了工業自動化領域中的無線技術方法及特徵，並探討了UWB無線通信技術在工業自動化領域中的運用效果及發展的新趨勢，對指導工業自動化領域中的無線技術具有一定的參與價值。

【關鍵詞】工業自動化，領域，無線技術

一、前言

幾年來，我國工業自動化領域中的無線技術取得了飛速發展，但依然存在一些問題和不足需要改進，筆者對工業自動化領域中的無線技術存在的主要問題進行分析，對工業自動化領域中的無線技術創新策略進行研究，對加快工業自動化推進的步伐，具有十分重要的意義。

二、Z igbee技術特徵

Z igbee是一項近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術, 在一定情況下，主要適用於自動控制與遠程式控制制領域, 是為滿足小型廉價設備的無線聯網與控制而制定的。Z igbee是 IEEE 802.15. 4技術的商業名子。與此同時，這項技術的核心協議由 2005年 12月成立的 IEEE 802. 15. 4工作組研究制定的, 但是，高層應用、互聯互通測試與市場推廣由 Zigbee聯盟負責。接著研究的問題是Z igbee聯盟成立時間是 2001年 9月, 現在包括英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司等在內的百餘家知名企業。在一定程度上，Z igbee的協議主要是由物理層、數據鏈路層、網路/安全層、應用框架及高層應用規范組成。其中IEEE 802. 15. 4負責物理層與數據鏈路層標准; 據此開始研究Zig-bee聯盟負責網路層與應用層的研發。 Z igbee協議棧如圖 1所示。

Z igbee技術的主要特徵如下:一是功耗低。在低耗電待機條件下, 兩節普通5號干電池才可使用 6 個月以上, 這是 Zigbee支持者所特定的優勢。二是數據傳輸過程中速率低。只有 10~ 250 kb/s,專注於低傳輸應用。三是成本比較低。 Z igbee 數據傳輸速率比較低, 而且協議簡單, 很大程度上降低了成本。為此，預算今年年底一個 Zigbee晶元價格可能降到 3美元。四是網路容量比較大。統計顯示，網路可容納 65536個節點。五是有效范圍比較小。有效覆蓋范圍在10~ 75 m之間, 在一定情況下，要具體根據實際發射功率大小與各種不同的.應用模式確定。六是工作頻段很靈活。在一定程度上，應用的頻段分別為2. 4GH z(全球)、868MH z( 歐洲 ) 與 915 MH z(美國 ) , 都是免執照頻段。七是安全適用。 Z igBee提供了數據完整性檢查與鑒權功能, 採取 AES- 128加密演算法。八是誠信可靠。採用了碰撞預防辦法, 並且，為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙, 防止發送數據的競爭和沖突。九是時延短。 Z igbee 通信時延與從休眠狀態激活的時延都很短, 設備搜索時間典型值為 30 ms,設備激活時間典型值是 15 m s, 活動設備接入時間是 15ms。在此基礎之上，Z igbee主要應用於數據傳輸速率不高的諸多電子設備之間, 比如：醫療護理 與工控等。其中最典型的應用是自動抄表系統。為此，當前 GPRS/CDMA無線抄表系統成本相對較高, 並且還要向電信運營商支付一定額度的費用, 另一種電力線聯網 ( PLC)技術運行則不夠穩定。據此，比較而言, 運用Z igbee網路的抄表系統由電力局自行建網, 在一定程度下，不需要交納額外的費用, 另外，Z igbee網路超大的容量一般可以滿足覆蓋的需求,因此 Z igbee在無線自動抄表領域具有廣闊的發展前景。與此同時，在井下無線監控、工業環境的溫濕度監測、污水監測、氣體監測上 Zigbee也具有很大的優勢。在特殊條件下，由於感測器與通信技術的發展, 無線感測器網路 (W ireless sensor networks, WSN)的概念已深入人心。 Zigbee在無線感測器網路的運用上有著無法比喻的優勢。在一定程度上，無線感測器網路也是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點構成、經過無線通信方式，並且形成的一個多跳的自組織的網路系統, 為此，具有監測高精度、高容錯性、大覆蓋區域、可遠程監控等諸多優點。WSN 可應用於工業自動化系統、設備故障診斷、惡劣環境下生產過程監控等。同時，無線感測器網路設計的首要目標是能源的高效利用, 也就是說, 在保證正常的監測功能的條件下, 盡可能較少的消耗節點的能量, 同時，延長網路的生命周期。基於這一點, 它和 Z ig-bee的設計目標相符。其次。感測器網路嚴格要求每個節點的成本要盡可能達到最低,並且要求很嚴格。只有這樣, 一個網路才可以擁有較多的節點, 在個別節點無效的條件下，可以迅速的重新規劃確定路由, 從而，不致於使網路癱瘓。第三，Z igbee網路可以同時容納 6.5萬多個節點, 足能保證多源數據的採集。在一定條件下，一個感測器網路通常包涵感測器節點、匯聚節點與管理節點。同時，感測器節點一般由感測器模塊、處理器模塊、無線通信模塊與能量供應模塊四部分組成, 是一個微型的嵌入式系統, 它兼顧傳統網路節點的終端與路由器雙重功能。感測器網路的體系結構見圖 2。

匯聚節點連接感測器網路與外部網路, 達到兩種協議棧之間的通信協議轉換, 在此基礎上，發布管理節點的監測任務, 還要把收集到的數據轉發到外部網路上。為此，用戶通過管理節點對感測器網路實施配置與管理, 發布監測指令以及收集監測數據。同時，針對感測器網路的組成結構, 可以應用 Zigbee節點作整個網路的感測器節點, 並且，在整個監測區域內，組成一個 Zigbee網路, 每個感測器節點內嵌 Zigbee協議棧, 實現基本的 Zigbee網路功能,與此同時，把採集到的數據傳輸給匯聚節點, 還要接受匯聚節點對其下達的任務與命令。在一定程度下，利用一個微處理器 + GPRS模塊作為匯聚節點, 據此，用來連接感測器網路和 GPRS網路, 實現 TCP/UD P等協議, 把數據打包封裝成幀, 在一定條件下，通過 GPRS網路傳遞給主控制室, 並把主控端的命令解封裝, 然後，傳達給感測器節點。在用戶端接一個 GPRS模塊與 PC機伺服器做硬體平台, 軟體包含資料庫等,在這一過程中，對收到的數據進行認真分析, 同時對整個網路進行管理。在特定情況下，Z igbee自身的特點決定了它只能應用在短距低速的條件下, 在工業監測中, 必須注意工作流程，有很多時間需要的是實時的圖像, 這就必須有高速的數據傳輸率, 因而, 在這一點上, Zigbee有著致命的缺點。UWB技術的出現使這種運用需求成為了可能。

三、UWB無線通信技術在工業自動化領域中的運用效果

1. UWB無線通信技術分析。

在特定條件下，UWB無線通信技術是一項採取時間間隔極短的脈，而不用載波的通信方法。同時，具備以下優勢：一是具有很強的抗干擾能力，這主要是這一技術的自身特徵，在一定情況下，此技術的所有頻段和當前我國通信系統，所採取頻段之間各自安好且互不幹擾。在特定情況下，一旦發射信號，它發射的無線電脈沖信號不但很微弱，並且所輸出的功率也相對比較低;二是具有傳輸速率高、能耗低的特徵，和Zigbee相比較，一定情況下，它的傳輸速率比Zigbee要高得多，最高時可能高達幾百兆位元組每秒，並且能耗很低，這主要是由於其發射時不能採用載波，同時，只在脈沖發射時消耗很低的能量;三是具有較高的安全功能，就有線技術相對比而言，不論是安全性或者是穩定性都大於有線通信技術。在一定程度下，基於此技術中融入了跳時擴頻技術方法，因而信息數據接收設備，只有在知道發送端擴頻碼的前提條件下，對發射的數據進行接收，同時，發射功率譜密度較低，通常的信數據接收設備是不會接收的，為此，顯現其安全功能;四是定位優點比較，這主要是由於這樣系統本身具備的良好定位優點，一定條件下，穿透性能很強。因此其具備比較精確的定位性能，精準度能高達10米左右，為此，這也是別的通信技術無法可比的優勢。五是具有較強的多徑分辨功能，和一般無線通信技術比較，一定程度下，它的多徑傳播效應的通信質量與數據的傳輸速度很大程度的增強。

2. UWB無線通信技術在工業自動化領域中的運用。

從UWB無線通信技術用途的起源進行分析，剛開始時主要用在軍事方面的雷達領域，一定條件下，用來開發軍事雷達科技。從2005年3月開始，UWB技術被美國批准可以在非軍事領域運用，從此UWB技術才得到了新的突破，通過科學發明，得到越來越廣泛的應用。從UWB技術進行分析，一定條件下，它說具有的傳輸速率很高，為此，在工業自動化方面具有明顯的優點，得到了廣泛的應用。一定條件下，在工業自動化方面，其要求對數據進行精確的定位。在測量方面，特別是在底下探測方面，具有十分廣闊的發展前景。在一定條件下，這種技術能夠實現實時圖像與聲音的傳輸，這么高精度的數據量傳輸，在當前現有的無線技術中是難以實現的。為此，在這一通信技術的實際運用過程中，要在攝像頭端安裝微型處理器，一定程度下，經過簡單壓縮並處理實時傳輸的圖像數據，就能使數據傳輸速率降到幾十兆位元組每秒，從而，最後利用UWB無線通信技術，將圖像數據傳送到數米開外的中心控制室。

四、結束語

通過對新時期下，通過對Z igbee技術存在的問題分析，進一步明確了Z igbee技術與UWB技術是時下無線通信市場的最流行的技術之一, 是無線網路重要的組成部分,為無線網路管理系統的優化完善奠定了堅實基礎，無線技術具有廣闊的應用發展前景。其有助於提高企業的競爭力和效益。

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