工廠自動化和過程自動化中

無線短程網和無線局域網

的應用前景分析上海工業自動化儀表研究所彭瑜2006年5月內容提要為什么無線通信在工業環境中的應用特別受到重視？ISASP100—自動化和控制環境下實現無線系統的標準無線通信網絡的分類

無線局域網WLAN

無線短程網WPAN現場設備層無線通信已進入工控領域

ABB進行的現場設備層無線通信實驗 BP進行的現場設備層無線通信實驗HART基金會正在積極開發無線HART協議結束語為什么現在無線通信

在工業環境中的應用

特別受到重視？為什么無線通信在工業環境中的應用

特別受到重視？工業發達國家和新興崛起國家為提高其產品在全球市場的競爭力，都力求在提高生產率的同時，降低包括能源消耗、原材料消耗和勞務成本。對于發達國家來講，其勞務成本遠遠高于新興崛起國家，因此特別重視促進創新和技術進步，采用新的技術手段。在這場競爭日益激烈的比賽中，無線通信技術在工業中的推廣應用受到了特殊的重視，顯然是基于這樣的大背景。在工業環境下任何地點均能安裝使用的智能無線傳感器及其網絡，具有足夠的可靠性和自治處理能力，將為各種生產裝置配備實時共享的數據采集能力，從而為提高生產率，改善產品質量，降低成本發揮重要作用。Invensys的無線工業應用策略室內室外專用無線網絡數據傳輸率功耗成本/復雜度歐洲無線工控應用項目RUNES

的開發路線圖歐洲無線工控應用項目RUNES

的開發路線圖在歐洲，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年內無線技術在工業控制和自動化發展應用的路線圖。背景：及時而牢固地抓住無線網絡為工業系統安裝和運行的高度靈活性和成本優勢創造的機會。目標：到2008年將安裝成本降低50%，運行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低80%，運行成本降低50%。歐洲無線工控應用項目RUNES

的開發路線圖發展無線應用必須考慮的原則：在工業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與傳統有線通信系統有互操作性開發可重復配置（reconfigurable）的設備盡可能地從環境中取得電源（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）工業環境下利用無線傳輸的優勢無線傳輸的優勢表現在：極大降低安裝成本、持續降低運行維護成本，更換方便，便于升級，減少接插件故障，移動自由且不受限制，投運快速，可以實際利用MEMS（微機電系統）技術。美國能源部的研究估計，無線傳感器網絡會為工業現場節能10%和降低排放或泄漏15%提供良好手段。應充分利用無線通信，開發適當無線產品和系統，為實現我國“十一五”規劃的節能降耗目標建功立業。無線通信網絡的工業應用正在發展無線的工業應用當前出現的新動態是使用高速、無須申請頻率許可證、低價的技術。無線通信距離與具體應用（工廠自動化、過程自動化和SCADA系統）強烈相關，一般大致在150毫米至80公里。當前影影響響無線線系系統廣廣泛泛應用用的的主要要障障礙當前影響響無線系系統廣泛泛應用的的主要障障礙是：：如何克克服工業業環境對對無線傳傳輸的影影響和無無線技術術目前發發展的狀狀態尚難難以滿足足工業應應用的要要求。工業環境境對無線線通信的的挑戰有有：工作環境境溫度由由-40C—+70C；高濕度（（當溫度度為40C濕度95%時不結結露）；；本質安全全防爆要要求；固定設備備和移動動設備對對無線傳傳輸路徑徑的影響響（衰變變、中斷斷和發生生各種各各樣的缺缺陷，諸諸如頻散散、多徑徑時延、、干擾、、與頻率率有關的的衰減，，節點休休眠、節節點隱蔽蔽和與安安全有關關的問題題）。ISASP100——

自動動化化和和控控制制環環境境下下實實現現無線線系系統的的標標準ISASP100——自動化化和控制制環境下下實現無無線系統統的標準準美國儀表表系統和和自動化化學會的的ISASP100標準委委員會正正在加緊緊制定自自動化和和控制環環境下實實現無線線系統的的標準，，推薦實實踐指南南、技術術報告和和相關的的信息。。著重在三三方面制制定標準準：運用無線線技術的的環境，，無線通信信設備和和系統技技術的生生命周期期，無線技術術的應用用。主要要面向現現場儀表表和設備備。在SP100標委會會下設五五個主要要的分標標委會：：射頻物理理學基礎礎可互操作作性用戶要求求用戶指南南集成制定SP100的標準準化方法法論SP100在在制定標標準前提提出標準準化方法法論：環境評估估—射頻頻、光照照影響應用評估估—傳輸輸時間、、傳輸容容量可選項評評估—技技術、產產品、標標準無線網絡絡節點部部署的評評估—初初始穩定定性、部部署署方便便性能評估估—針對對用戶要要求維護—工工具、成成本、升升級符合SP100標準準保證各各方受益益符合SP100將保保證：供應商的的規范的的一致性性，并易易于解釋釋用戶要求求簡明扼扼要、貼貼近，并并易于解解釋可選項清清晰而易易于鑒別別對于要克克服的問問題所提提供的可可選項是是可以進進行定量量估算面向成成功功的SP100SP100力力求在現現有相關關標準的的基礎上上，能在在一個較較短的時時間內取取得符合合要求的的結果。。SP100盡盡可能應應用下列列標準并并有所提提高：ISASP99——信息安安全IEEE1451——智能傳傳感器FIPS140-2—信息息安全ISO/OSI網絡絡可連接接的7層層模型SP100力力爭促進進新技術的的發展應應用無線網絡絡的節點點合理部部署從業人員員和公司司相互間間的交流流SP100規定定的五類類應用（1）安全

0類：緊急動作（恒為關鍵）信息時間性的重要程度控制

1類：閉環調節控制（通常關鍵）2類：閉環監督控制（經常非關鍵）

3類：開環控制（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類監測監控4類：標記產生短期操作結果（例如：基于事件的維護）

5類：記錄和下載/上載不產生直接的操作結果（例如：歷史數據采集、事件順序記錄SOE、預防性維護）SP100規定定的五類類應用（2）直接的操操作結果果的數據據和消息息，譬如如歷史數數據的采采集，為為預防性性維護而而必須進進行的周周期性采采集的數數據，事事件順序序記錄數數據的上上傳（這這類似于于文件傳傳遞，不不能因通通信類型型而發生生數據丟丟失，屬屬于監控控的第5類應用用，是指指通過無無線傳輸輸那些不不會產生生但又非非像控制制信號那那樣必須須考慮時時間性）），其它它的上裝裝和下載載。屬于監控控的第4類應用用，是指指通過無無線傳輸輸那些只只在短時時間內產產生操作作結果的的數據和和消息，，例如基基于事件件的維護護而必須須采集的的數據，，為測試試需要而而發往現現場的限限界動作作所產生生的臨時時而短暫暫的結果果，無線線設備上上的電壓壓低限指指示器所所產生的的告知更更換電池池的信號號等等。。SP100規定定的五類類應用（3）第3類開開環控制制是指在在回路中中還有人人在作用用，例如如操作人人員手動動啟動一一個信號號裝置且且注視著著這個裝裝置，遠遠程指導導開啟一一個安全全門，操操作人員員執行手手動調節節泵/閥閥門等。。第2類閉閉環監督督控制，，通常并并非關鍵鍵部位，，如不頻頻繁的串串級控制制，多變變量控制制，優化化控制等等。第1類閉閉環調節節控制，，一般均均為關鍵鍵回路，，如現場場執行器器的直接接控制，，頻繁的的串級控控制等。。第0類恒恒為關鍵鍵的緊急急行動，，包括安安全聯鎖鎖，緊急急停車，，自動消消防控制制等。SP100規定定的五類類應用（4）報警信號號根據具具體應用用場合，，分屬以以上由0類至5類。例如：0類報警警是指那那些具有有自動響響應的、、致命有有毒氣體體的泄漏漏檢測器器信號（（如對污污染的自自動響應應），1類報警警是指具具有自動動響應的的、對流流程狀態態會帶來來高度影影響的信信號（如如自動停停止反應應的停車車信號）），2類報警警是指對對流程狀狀態自動動響應的的信號（（如要對對某種參參與反應應的流體體做分流流處理）），3類報警警是指對對流程狀狀態作手手動啟動動的操作作響應的的信號（（如由操操作人員員來判斷斷決定是是否分流流至另一一并行的的反應器器），4類報警警是指有有關設備備狀態的的報警，，以通知知維護人人員在短短時間內內到達現現場，5類報警警指那些些有關設設備狀態態的報警警，要求求維護人人員采取取長期維維護的動動作。SP100規定定的五類類應用（5）英國石油油公司CTO提提出：實實際對這這些類別別（不包包括0類類）的應應用需求求，大致致是按以以下的比比例1：：2：4：10：10第四、五五類應用用是大量量的狀狀態態監控——振動，，溫度/壓力性能監控控—熱交交換，環環境，機機械性能能用于工業業自動化化的無線線網絡的的最緊要要的要求求成本減少安裝成本減少運行維護成本易于安裝和維護電源管理(采用電池運行)兼容性和可擴可縮可互操作性/共用基礎設施/共存性(與其他射頻設備共存)在全世界范圍軍能使用(與使用國家無關)網絡容量和網絡規模可擴可縮性能通信可靠(正確傳輸的百分比%)適于閉環控制快速的報告速率支持現場點對點控制信息安全網絡安全網格拓撲自組織(meshing)安全就地現場設備接入服務質量(QoS)等級和使用情況現場設備備級無線線網絡的的要求(1/6)成本安裝成本安裝成本遠低于有線網絡(至少為2:1)運行成本儀表維護成本與有線網絡相似底層結構的連接其維護成本低于有線網絡易于安裝和維護增加一臺無線設備的工作量,與在有線數字通信網絡增加一臺設備的工作量相同內在的診斷集和標準化的補糾辦法,以及支持工具(如電池、RFMODEM、天線等)電源管理不論是自附電源還是由其他方法供電,不管所用電池的類型,在正常條件下都至少使用3年成本目標標=??(有有線)+不不致增加加任何維維護成本本現場設備備級無線線網絡的的要求(2/6)兼容性和規模可擴可縮可互操作性/公用底層結構一個支持SP100無線應用協議的開放型無線現場設備的底層結構,可通過網關變換為現今的應用協議與工廠內其他非公用底層結構的RF共存在世界范圍均可使用盡管各國允許的使用頻帶不盡相同,但無線設備必須在世界各國都能使用網絡容量和可擴可縮性能每個網絡容量可高達1,000個現場設備每個網絡最多可有100個中繼節點在所覆蓋的區域內容許多個網絡具有可預測的性能底層結構構支持不不同供貨貨商提供供的設備備,而不致干干擾現有有的無線線設備現場設備備級無線線網絡的的要求(3/6)性能通信可靠能在惡劣的工業環境下(EMI、多徑、衰變等)正常工作能與現場中同時存在WiFi、RFID、對講機、手機、尋呼機、無線遠程控制和其他無線數據網絡共存對數據傳輸的阻塞有抗拒能力單點故障不致對整個網絡產生影響報告速率最佳性能與有線數字通信相仿（與具體應用場合有關）適于閉環控制在受調度時間間隔內以極高的消息傳輸百分比進行傳輸因連續丟失消息而脫離預定模式的事件極少發生在現場支持點對點控制可向DCS或類似控制系統發送消息；能同時向其他現場設備發送消息，以形成現場回路像有線數數字通信信網絡一一樣可提提供和支支持閉環環控制現場設備備級無線線網絡的的要求(4/6)信息安全網絡安全無線網絡對故意攻擊或人為差錯有安全防護設備均提供識別碼通信關系授權自動密鑰管理對可能發生的攻擊進行推理、記錄和報告消息傳送安全通過對消息的檢查防止惡意攻擊或消息發送系統出錯由要求消息的源節點進行檢查原封不動和不加修改在QoS等級內按數據包的順序傳送，對同一數據包不重發傳送的及時性根據應用的需要通信有防止竊聽保護對所傳送的消息作適當的保密處理使之好像是隨機數據QoS服務質量(如立即傳送、按預定時間傳送、等待一定時間)保持信息息安全的的過程具具有智能能特性現場設備備級無線線網絡的的要求(5/6)現場設備就地接入現場設備就地接入

在正常條件下用手持式PDA接入任意現場設備的能力和通過控制系統作代理服務器方式的接入能力

注:在以代理服務器方式接入強制保證安全和可計算的,同時對常認為駐設備的信息作快速拷貝時每次均保持一致在投用調試的情況下用手持式PDA接入任意現場設備的能力,或在緊急情況下不能利用控制系統作代理服務器方式接入而又要作預組態時接入

注:在其他時間必須禁止使用這一特性,在投用調試結束后如果使用之應作為潛在的安全危險加以記錄必須支持持現場設設備的無無線就地地接入現場設備備級無線線網絡的的要求(6/6)服務質量QoS服務質量QoS分類立即(如緊急消息,高中斷級報警)按預定時間傳送(如周期性閉環控制模塊)等待一定時間可得到(如監控數據,低中斷級報警)高吞吐量數據(如歷史數據上傳,組態數據庫下載,代碼下載)信息時間間性的重重要程度度無線通通信信網絡絡的的分類類無線通信信網絡的的分類無線通信信網絡按按傳輸距距離可分分為：城際網（（WMAN）局域網（（WLAN）個人網（（短程網網，WPAN））無線通信信網絡的的標準城際網（（IEEE802.20，，IEEE802.16）局域網（（IEEE802.11））短程網（（IEEE802.15））IEEE802標標準的無無線空間間數據傳輸輸率(Mbps)傳輸范圍圍ZigBeeWPANWLANWMANWWANWiFi802.110.010.11101001000BluetoothIEEE802.22WiMaxIEEE802.16IEEE802.20正在發展展的一些些無線傳傳輸的技技術無線交換換技術簡化無線線網絡的的規劃和和部署簡化無線線網絡管管理快速交付付使用網狀網絡絡技術構成接入入點和客客戶的協協作網絡絡改善傳輸輸范圍，，通過數數據包的的再傳輸輸可減少少對返輸輸要求通過多路路徑傳輸輸可提高高傳輸的的可靠性性顯著改善善網絡管管理和網網絡能力力智能天線線多發射和和/或接接收天線線（MIMO））定向聚焦焦射頻電電磁波為改善鏈鏈接能力力和可靠靠性進行行高級信信號處理理backhaul正在發展展的一些些無線傳傳輸的標標準特長的電電池壽命命很適合工工業自動動化，家家用電器器，傳感感器網絡絡超寬帶（））美國FCC開放放一無須須申請的的自由寬寬帶頻率無射頻載載波，低低成本，，低功耗耗，非直直線傳輸輸在低傳輸輸速率模模式，可可用于一一個重要要的工業業市場：：位置感知知（在2厘米-20米米范圍內內）WiMax（IEEE802.16，Intel提提出）適于住宅宅區/經經營性建建筑的長長距離（（1km））射頻鏈鏈接較高數據據傳輸率率（在一一個20MHz的信道道約70Mbps）也可用于于大型工工業部署署今年將有有商品問問世用于工業業控制領領域的無無線傳輸輸網絡近些年來來，無線線傳輸網網絡成為為工控領領域中正正在迅速速發展的的技術熱熱點之一一，也是是被不少少工業自自動化供供應廠商商看好的的一種新新的增長長點。發展重點點主要集集中在無無線局域域網和無無線短程程網。一如以往往所有的的IT技技術移植植到工控控應用中中來所采采取的方方法一樣樣，基礎礎是IT行業的的各種無無線傳輸輸標準。。但充分分考慮在在這種專專門應用用中的特特別要求求，開發發適應這這些特別別要求的的技術、、規范、、標準和和行規。。適應不同同無線傳傳輸要求求

而發發展的標標準和技技術短程<傳輸范圍圍>長長程低<實際數據據傳輸率率>高高TEXTINTERNET/AUDIOCOMPRESSEDVIDEOMULTI-CHANNELDIGITALVIDEOBluetooth1Bluetooth2ZigBee802.11b802.11a/HL2&802.11g文本因因特網網/聲音音壓壓縮縮圖像多多通道道數字圖圖像無線網網絡絡標準準的的比較較市場名標準GPRS/GSM1xRTT/CDMAWi-Fi?802.11bBluetooth?802.15.1ZigBee?802.15.4應用重點廣闊范圍聲音&數據Web,Email,圖像電纜替代品監測&控制系統資源16MB+1MB+250KB+4KB-32KB電池壽命(天)1至70.5至51至7100至1,000+網絡大小1327255/65,000帶寬(KB/s)64-128+11,000+72020-250傳輸距離(米)1,000+1-1001-10+1-100+成功尺度覆蓋面大,質量速度,靈活性價格便宜,方便可靠,低功耗,價格便宜無線局域域網WLAN標標準WLAN標準IEEE802.11系列列還在發發展中，，已完成成的有:其中，涉涉及安安全的有有：802.11i安安全擴擴展涉及性能能增強的的有：802.11eMAC層的QoS擴擴展，802.11r快速漫漫游，802.11n極極高吞吐吐能力方方式，802.11s網網格狀聯聯網涉及投用用和管理理的有：：802.11k射射頻資資源管理理，802.11t無線線性能預預測，802.11v無線線網絡管管理IEEE802.11載頻2.4G帶寬2Mbps跳頻,直序擴頻頒布年1997802.11b2.4G11Mbps直序擴頻DSSS1999802.11a5G54MbpsOFDM1999802.11g2.4G54MbpsOFDM2003全球WLAN的的市場容容量及預預測設備單價價市場投放放量價格從300美美元（2000）降至至十幾美美元（2007），市場投放放達5000萬萬臺。工業WLAN和和WLAN要求求不同工業WLAN的的市場容容量相對對較小，，但性能能要求高高。工業WLAN的的產品應應可靈活活地通過過軟件模模塊實現現802.11的分標標準。如如Siemens的工工業WLAN產產品SCALANCE-W，，就可提提供工業業QoS和快速速漫游（（IEEE802.11r）的解解決方案案。IEEE802.11在技術上并并不能提供確確定性的保證證，但在802.11e中給出了了在MAC層層支持多傳輸輸介質應用及及保證通信質質量QoS的的擴展：解決決了在MAC層的優先級級服務，又通通過輪詢規約約（pollingprotocol）實現現多介質的通通信調度。由于輪詢在本本質上具有確確定性，因而而可以避免由由802.11的信道爭爭用和指數補補償而造成的的延遲。為了防止輪詢詢可能帶來的的不良問題（（如在需要發發送的數據尚尚未形成之前前輪詢信號已已到，那么該該數據的發送送則不得不再再等待一個輪輪詢周期），，需要通過自自適應輪詢算算法保證現場場設備同步。。工業無線局域域網WLAN的要求工業WLAN具有與企業業辦公和家庭庭應用環境不不同的要求。。這些要求可可歸納為：嚴格的延遲要要求。確定性性能的的保證支持大量的設設備掛網，并并支持掛網的的設備數量可可變化。網絡安全的保保證。網絡投用的保保證。工業無線局域域網WLAN的要求嚴格的延遲要要求：用于現場設備備要求延遲不不大于10ms，用于運運動控制不大大于1ms，，對于周期性性的控制通信信，使延遲時時間的波動減減至最小也是是很重要的指指標。確定性性能的的保證：保證確定性是是對任務執行行有嚴苛保證證的工業通信信系統必備的的特性。即使使設備處于漫漫游狀態也有有此要求，否否則會喪失實實時性能。支持大量設備備掛網，并容容許掛網設備備的數量可變變化：工業WLAN的接入點約約為數百個的的數量級。若若節點過多和和接入的節點點數有變化，，有可能導致致IEEE802.11的MAC協議層效率率太低。網絡安全的保保證：滿足安全保密密法規是工業業WLAN的的基本要求。。包括對黑客客接入點的檢檢測和保護的的前提條件。。網絡投用的保保證：由于運行故障障是不可接受受的，因此對對于有幾百個個設備節點的的WLAN來來講要求網絡絡具有自投用用功能，并能能執行無線規規劃和輔助節節點位置調查查。短程無線線網絡絡的標準準IEEE802.15WPAN工作組負責責制定無線個個人網WPAN的通信標標準。IEEE802.15下面有4個個分標準：802.15.1為BlueTeeth（藍牙牙），802.15.2為共存存性802.15.3為高數數據傳輸率的的WPAN，，802.15.4為低低數據傳輸率率的WPAN。802.15.1、802.15.2和802.15.4均正式公布布。802.15.3工作組因兩兩個草案投票票軍未超過75%，已宣宣布解散。ZigBee與藍牙的一一些比較在現場層無線線網絡中，同同樣屬于無線線短程網的IEC802.15.4/ZigBee要比比IEC802.15.1/藍牙牙更具廣泛的的應用前景。。這主要是基于于以下三個原原因：ZigBee的應用開發發門檻遠低于于藍牙，其最最復雜的網絡絡協調器節點點的軟件開發發工作量僅為為藍牙節點開開發的10%，其最簡單單的RFD節節點的軟件開開發工作量僅僅為藍牙的2%；ZigBee的功耗遠低低于藍牙，這這是因為就發發射的頻寬比比來講，ZigBee為為0.01，，藍牙為0.99，即ZigBee的發射時間間只占其周期期的1%，而而藍牙卻占99%；ZigBee的網絡節點點容量遠多于于藍牙。的的市場特性低功耗；低成本；較低的報文吞吞吐率；支持大型網絡絡接點的數量量級（不多于于65K個接接點）；對通信服務質質量QoS要要求不高（甚甚至無QoS）；提供可選擇的的安全等級（（采用AES-128）），加密發送鑒別報文的完整性性為適合于多方方面的應用而而進行的靈活活協議設計。。的一般技術性性能數據傳輸率250Kb/s(2.4GHz)和和20/40Kb/s(868/915MHz)；在2.4GHz工業、科科學、醫學頻頻帶（ISM頻帶）為16個信道，，在915MHzISM頻道為10個信道，，在歐洲用868MHz頻道為1個信道；采用信道共享享多點接入技技術CSMA-CA（載載波監聽多信信道接入/避避免沖突）協協議；為保證傳輸的的可靠性，采采用完整的握握手協議；為實現低功耗耗，配備極低低的（小于1/1000）頻寬比（（duty-cycle）能力，可可提供無信標標（beaconless）操作；；支持等待時間間低的設備（（在使用星型型網絡時可使使用有保證的的時隙）；支持點對點、、星型、簇狀狀樹型和網狀狀的網絡拓撲撲。ZigBee與IEEE802.15.4的關系ZigBee采取了IEEE802.15.4強有有力的無線物物理層所規定定的全部優點點ZigBee增加了邏輯輯網絡、網絡絡安全和應用用軟件ZigBee繼續與IEEE緊密結結合，以保證證向市場提供供一種完整的的集成解決方方案ZigBee協議棧棧的特性性8-bit微微處理器(例如80c51)協議棧簡捷緊緊湊甚而支持更簡簡單的僅為從從站的協議棧棧物理層MAC子層網絡/安全層應用架構應用層/行規802.15.4ZigBee聯盟平臺應用層ZigBee平臺通信棧硬件實現ZigBee或OEMZigBee的頻帶和數數據傳輸率頻帶使用范圍數據傳輸率信道數2.4GHzISM全全世界250kbps16868MHz 歐洲洲20kbps1915MHzISM北北美40kbps10ZigBee技術可靠靠性怎么保證證?可靠性來自以以下措施的組組合物理層RF通通信鏈接直序闊頻采用用高處理增益益明晰的信道檢檢測對干擾能量進進行檢測采用跳頻技術術Frequencyagility協議基于CRC的的誤碼檢測/校正采取了避免沖沖突的策略CSMA/CA為固定帶寬的的通信業務預預留了專用的的有保證的時時隙發送的數據包包都有待于接接受方的確認認，如出現問問題進行重發發保持數據包的的及時傳輸Packetdatafreshness經過強有力認認證的標準化化開放協議及及可互操作性性物理層層特特性性802.15.4在低低信噪比的環環境下誤碼率率很低Bluetooth信噪比dB位誤碼率藍牙要達到10-9誤碼率，信噪比比要為16在低信噪比的的環境下ZigBee的的性能超群藍牙FSKWiFiB信噪比位誤碼率的的物理層協議議設計保證了了它的高抗干干擾能力在物理層采用用高處理增益益的直序/頻率快快變DS/FA（（DirectSequence/FrequencyAgility）IEEE802的直序序擴頻的處理理增益比較處理增益越大大，抗干擾和和抗多徑時延延擴展的能力力越強。頻率快變就是是改變頻率，，以避開從一一個已知干擾擾源或信號源源來的影響的的能力。實驗證明的誤碼率，特特別是在信噪噪比為4dB的情況下可達達到10-9；達到同樣誤誤碼率，藍牙牙/信噪比要達16dB，802.11b要達10dB。。IEEE802802.11802.11b802.15.4(2.4G)802.15.4(915M)處理增益11113215IEEE802.15.4MAC概述應用64-bitIEEE&16-bit短地址網絡理論上最最大可達264nodes(超過實際需要要的數量)采用簡約地址址開銷的就地地尋址，可對對多達65,000（216）節點的簡單網網絡進行組態態規定了三種設設備NetworkCoordinator網絡協調器FullFunctionDevice(FFD)全功能設備ReducedFunctionDevice(RFD)簡約功能設備備幀結構較簡單單數據傳送可靠靠Association/disassociation關聯/去關聯聯AES-128安全密鑰CSMA-CA信道存取可選帶信標（（beacons）的超幀結構有保證的時間間間隙GTS（GauranttedTimeSlot）機制可選網絡(客戶戶)節點最最多為65,536對于要求快速速響應的應用用場合予以優化網絡參與時間間:30ms(典型值)由休眠從站轉轉化為工作狀狀態:15ms(典型值)處于工作狀態態的從站的存存取時間:15ms(典型值值)ZigBee基本網網絡特點點網絡協調器全功能節點簡約功能節點通信流虛擬鏈接ZigBee可構成網狀狀（Mesh）網絡ZigBee終端設備備(RFD或FFD)ZigBee路由器(FFD)ZigBee協調器(FFD)網狀鏈接星形煉接ZigBee的Mesh組網方式Mesh是一一種特殊的、、按接力方式式傳輸的點對對點的網絡結結構。其路由由可自動建立立和維護。通過以上ZigBeeMesh結結構圖可以得得知，一個ZigBee網絡只有一一個網絡協調調器，但可以以有若干個路路由器。協調器負責整整個網絡的建建網，同時它它也可作為與與其它類型網網絡的通訊節節點（網關））。構成協調器和和路由器的器器件必須是全全功能器件（（FFD），，而構成終端端設備的器件件可以是全功功能器件，也也可是簡約功功能器件（RFD）。Mesh自組組網絡的路由由算法針對移動通信信的要求，近近些年來已提提出的自組織織網路由算法法主要分為兩兩大類：基于表驅動的的路由算法(tabledriven)源始發的按需需路由算法(source-initiatedon-demanddriven)表驅動路路由算算法表驅動路由繼繼承了傳統的的IP路由由,但在消除除路由環路和和已過時路由由等方面做了了適應于自組組織網特性的的改進。在這種路由協協議中，無論論路由是否被被用到,每個個節點都要維維持路由表，，并進行周期期性的路由信信息交換。這這樣會增大移移動終端的儲儲存和計算負負擔,且大量量浪費了網絡絡帶寬。網絡拓撲變化化較快時,這這些大量交換換的控制信息息將在很大程程度上影響數數據信息的傳傳送。源始發的按需需路由算法源始發的按需需路由算法因因其更適合自自組織網特性性而成為現今今研究重點。。按需路由一般般分為路由建立和路由維護兩個過程。它它僅在節點有有信息要發送送時,廣播路路由建立分組組,尋找最佳佳路由,而不不需維護所有有路由信息,也不用定期期交換路由信信息。這樣就就有效地節省省帶寬和內存存。如何在按需路路由算法中進進一步地降低低開銷是提高高其性能的關關鍵。自組網的網絡絡需要一個優優良的網絡拓拓撲算法。ZigBee使用了簡化化的AODV（AdhocOnDemandDistanceVectorRouting）的網絡絡路由結構。。ZigBee使用簡化的的AODV網絡路由結構構AODV路由由協議是一種種基于距離矢矢量的按需路路由算法，只只保持需要的的路由，而不不需要節點維維持通信過程程中未達目的的節點的路由由。節點僅記記住下一跳，，而非像源節節點路由那樣樣記住整個路路由。它能在在網絡中的各各移動節點之之間動態地、、自啟動地建建立逐跳路由由。當鏈路斷開時時，AODV會通知受影影響的節點，，從而使這些些節點能被確確認為無效路路由。AODV允許移動動節點響應鏈鏈路的破損情情況，并以一一種及時的方方式更新網絡絡拓撲。AODV操作是是無環回的，，并避免了當當Adhoc網絡拓撲撲變化時快速速收斂的無限限計算問題(特別是當一一個節點進入入網絡時)。。ZigBee采用按需路路由算法AODV，在節節能和網絡性性能上都有著著很大的優勢勢。ZigBee的Mesh拓樸需要解解決的問題目前自組網網網絡的發展，，對于Mesh結構的節節電模式還沒沒有統一的方方式。需要結結合實際情況況加以解決。。由于采用多跳跳的路由方式式，所以對于于整個網絡的的統一調度還還要做很多工工作。需要結結合實際情況況在應用層上上開發整個網網絡的統一路路由優化調度度算法。同樣，對于大大量的節點，，怎樣合理調調度使得最后后產生的路由由路徑合理有有效，也是需需要根據實際際情況研究的的方向。其他包括全網網跳頻技術、、抗干擾技術術等都是需要要探討的。802.15.4和802.11b的共存性問問題的的信道#15、#20、、#25和#26可避免免受802.11b的的信道#1、、#6和#11的干擾。。后者的發射射功率為前者者的30倍。。無線信息骨干干網的一種構構型由于ZigBee是短程程網，不可能能覆蓋整個廠廠區，加之原原有的現場總線也很很有效，所以以設計了一種種無線信息骨骨干網系統。。WirelessInformationBackbonesProfibusZigBee傳感器DeviceNetEthernetWIB節點ZigBee簇狀樹形形ZigBee簇狀樹形形典型工廠的ZigBee無線傳感器器覆蓋范圍典型工廠的無無線信息骨干干網覆蓋范圍圍通過無線信息息骨干網實現現信息共享通過建立發射射功率較大的的無線信息骨骨干網（WIB，WirelessInformationBackbones），可可將ZigBee傳感器器的信息傳輸輸給各種掛在在以太網、現現場總線上的的物理設備。。WIB的節節點一方面是是無線網絡上上的一個節點點，另一方面面又起著無線線通信協議和和其它通信協協議的轉換作作用。實踐證明1W的發射功率率可以穿透多多數的工廠和和成套設備。。但目前我國國的無線法規規只限定在30mW內內。應該說，ZigBee因因其低功耗、、低成本、傳傳輸可靠性高高、簡便實用用，發展潛力力很大。其發發射功率小、、易受鋼結構構所衰減、傳輸距離短短等固有問問題，完全全可以經由由WIB予予以解決。。現場設設備備層層無線線通通信信

正在在進入入工控控領域域現場設備層層無線通信信正進入工工控領域2004年年Honeywell推出基于于ZigBee無線線傳輸協議議的無線變變送器XYR5000系列列，可精確確檢測表壓壓力、絕對對壓力、溫溫度，還有有4-20mA接口口，供其它它傳感器轉轉為無線輸輸出。OMRON推出的無無線鏈接DeviceNet現場總線線主站：WD30-ME和從從站：WD30-SE，最多多可支持DI/DO各1600點的通通信。已成成功應用于于豐田汽車車裝配線的的控制系統統中。現場設備層層無線通信信迅速進入工工控領域，，其中一個個突破口是是現場總線和和無線通信信技術的結結合。以下是若干干有象征意意義的動作作和產品:現場設備層層無線通信信正進入工工控領域德國schildknecht公司司推出的無無線Profibus-DP產品DE3000系列，，可在主站站與多個從從站之間建建立無線鏈鏈接。其使使用的載頻頻為2.4GHz，，數據包187.5KB，，無線通信信協議分別別是：IEEE802.11b(數據傳輸輸率11Mbit)IEEE802.11(數數據傳輸率率1Mbit)IEEE802.15.1(數據傳傳輸率700Kbit)HART通通信基金會會HCF投投資開發新新的技術能能力和工具具，無線HART已已成為開發發重點，成成立的無線線工作組正正在制定新新的技術規規范，要求求HART無線通信信技術保證證支持產品品的互操作作性，提升升HART智能儀表表的智能和和可連接性性，預計在在2006年上半年年完成規范范草案，并并與工業無無線組織如如SP100無線委委員會協調調、合作，，以確保工工作的連續續性和均衡衡性。WLANWPANABB進行行的現場設設備層無線線通信實驗驗ABB在瑞瑞典的Boliden加工廠廠利用Ember的的無線技術術進行了無無線通信的的評估試驗驗。開環系統應應用控制系統離線處理無線傳感器數據工廠生產過程傳感器非實時非實時ABB進行行的現場設設備層無線線通信實驗驗要求是：通通過無線通通信傳輸非非過程關鍵鍵數據，短短數據包，，低平均數數據率，低低功耗具體應用范范圍有：設設備管理、、狀態檢測測、預防性性維護和服服務應用結果證明：：ZigBee完全滿足足要求ABB進行行的現場設設備層無線線通信實驗驗閉環系統應應用控制系統工廠生產過程傳感器ABB進行行的現場設設備層無線線通信實驗驗要求是：通過無線通通信傳輸過過程關鍵數數據，短數數據包，低低平均數據據率，低功功耗，遲延延短，數據據包傳送有有保證應用范圍：：制造自動動化，過程程控制試驗證明：：對于實時數數據，當節節點較少時時，通過網網狀拓撲進進行5次接接力（hop），運運行結果很很好，在延延遲、穩定定性和功耗耗等方面均均符合要求求。節點密度對對數據包的的傳輸存在在較大影響響。節點在在50個以以內，數據據包時間間間隔在30秒以上丟丟包率1%以下。這表明如何何讓節點密密度、數據據包間隔時時間滿足應應用的要求求，對ZigBee無線傳輸輸成功應用用于現場層層設備是一一個巨大挑挑戰。需要要進一步研研究開發的的問題有：：在多跳網網絡中保證證合理的遲遲延，穩健健的控制算算法（如為為減少功耗耗，讓節點點保持同步步休眠的網網絡同步算算法）。丟包率（%）節點數包間隔50秒包間隔15秒ZigBee無線傳傳輸的挑戰戰：節點密密度，數據據包間隔時時間包間隔30秒英國石油公公司BP的無線線應用實驗驗液化天然氣氣容器跟蹤蹤L油船引擎振振動監控潤滑油供應應鏈液化天然氣氣罐遠程監控化工產品鐵鐵路槽車的的遠程信息處處理勞動保護服裝檢查油罐車駕駛駛員安全措施油氣管線的的腐蝕檢測油氣官線侵入者檢測測無線網格網網絡(Motes)Motes概念給BP帶來巨大利利益，但…..Motes主要用于研研究活動、、清潔區域域..在嚴酷工業業環境中（（天氣、振振動、溫度度、金屬結結構和設備備等）它能能用嗎？要Motes在嚴酷工業業環境中完完全可以使使用，還待待實驗證明明但……大部分BP的工業場所所要求本質質安全等級級的設備，，目前尚找找不到本質質安全的Motes在油船的輪輪機間還要要求抗振動動、高溫等等許多環境境挑戰，盡盡管不要求求本質安全全接下去要在在煉油廠進進行有關本本質安無線線技術的實實驗采用Mesh拓撲的的無線傳感感器網絡解決測量問問題已成共共識EarlyMotesBP在Schiehallion對mote技術進行試試驗12萬噸運運油船LochRannoch號上上的Motes試試驗在嚴酷工業業環境下用用motes進行輪機機狀態監控控，減少了停機機時間和非非計劃維護護在BP的LochRannoch號號油船上做實實驗從Schiehallion油油田裝載120,000噸噸原油運運到Shetland的SullomVoe,進行了6個個月的實驗驗，主要檢檢測旋轉設設備的振動動情況現在用手動動方法進行行狀態檢測測，慢且不不能做到定定時檢測用有線傳感感器作狀態態檢測在成成本上是不不實際的為此不得不不定期將輪輪機拆開檢檢查技術解解決方方案2004年年運行了6個月26個motes,115傳感感器,4個網關節點的部署署需要克服服高射頻背背景、電壓壓變化以及及由振動產產生的高機機械應力，，并考慮輪輪機艙的艙艙口和隔間間對無線網網絡的影響響還試驗利用用振動產生生的機械能能轉換成電電能，向mote供電取得很好的的經驗檢查motes的安裝位位置煉油過程的的無線測量量平臺嚴酷的工業業環境下（（class1div2）工作的的mote,電池壽命長長在相當大的的范圍進行行工業測量量，可靠性性達99.99%儀表安裝成成本節約一一個數量級級無線通信可可以支持各各類的數字字式和模擬擬式傳感器器煉油廠內實實驗效果令令人滿意按運行要求求進行周期期性的測量量實驗BP無線通信的的工業實驗驗的幾點經經驗對SP1004類和5類應用有強強烈需求——通過實驗驗證明在實實際中完全全可以應用用：狀態檢測——振動動和溫度/壓力性能檢測——熱交交換、環境境狀態、機機械運行狀狀態3類應用（開開環控制））也有需求求希望2類和慢速1類隨著用用戶不斷取取得經驗，，在對傳輸輸延遲、信信息安全和和穩健性（（robustness）等有更好了了解之后，，而逐漸有有所應用，，以利于于更多地引引導對此類類應用的要要求。HART基基金會正在在積極開發發

無線HART協協議HART基基金會正在在積極開發發

無線HART協協議ARC的統統計數據表表明，在全全世界已安安裝的現場場儀表達4,000—4,500萬臺，其中采采用4—20mA信信號的達48%，采采用HART的達26%，采采用氣動信信號的為13%，采采用現場總總線的僅1%左右。。HART通通信基金會會HCF投投資開發新新的技術能能力和工具具，無線HART已已成為開發發重點，成成立的無線線工作組正正在制定新新的技術規規范。無線HART協議應應該具有目目前有線HART協議議能夠解決決的所有應用，，也就是說說可以滿足足在SP100規定定的第0類類到第5類類的全部應用用的要求。。無線HART通信的的要求（1）一般要求HART無無線標準支支持公用無無線現場設設備的基礎礎結構，與與正在開發發的工業標標準（如SP100）在互互操作性、、易于安裝裝和維護等等方面密切切合作。為保證可靠靠性和規模模可增可減減，協議必必須適用與與點對點和和網格（mesh））拓撲結構構，其中點點對點為最最小網絡。。重點是工廠廠內現場設設備網絡級級的通信，，作為有線線連接的一一種替代。。對于單個現現場設備，，網絡至少少必須支持持兩種應用用存取信息息，例如DCS和手手持式存取取設備。規模可增可可減性能：：一個無線線接入點（（WAP））可根據網網絡拓撲和和應用場合合接入從一一臺到多臺臺設備。一臺回路供供電的4-20mA/HART現場設設備也可有有第二個數數字通信通通道—無線線HART通道，而而不致于使使4-20mA/HART回回路性能變變壞。遠程設備組組態—不用用物理連線線可對設備備進行組態態的能力。。無線現場設設備及網絡絡部件必須須具有在危危險區正常常運行的性性能。當前生產和和使用的HART設設備也可具具有無線HART通通道，作為為冗余通信信信道。允許設備間間通過無線線網絡交換換信息、擴擴展HART6（（存取設備備參數變量量）的能力力。無線HART通信的的要求（2）成本和使用用簡便網絡安裝和和維護成本本要比有線線網絡少一一個數量級級（至少1/2，目目標是不1/10）），例如安安裝難度不不超過無線線家庭網絡絡、不要求求對安裝現現場進行預預評估。設備安裝成成本小于或或等于有線線設備。信息安全網絡對于““非授權接接入”的信信息安全能能力（如加加密、周期期性對授權權密鑰自動動賦值要優優于有線系系統，不會會對用戶帶帶來任何影影響）無線HART通信的的要求（3）性能和可靠靠性電源管理——電池壽命命至少3年年。最佳目目標為與設設備的壽命命相同（15年以上上），這與與應用的具具體要求和和環境條件件有在要求高可可靠的通信信時，HART無線線網絡支持持冗余無線線路徑和冗冗余網關/網絡協調調器為現場儀表表組態、調調試投運，，由移動設設備（手持持式操作器器、PDA、便攜式式電腦）與與現場設備備的無線鏈鏈接，其最最佳響應時時間性能與與現有的手手持式操作作器相同，，目標小于于10秒。。無線請求/響應延遲遲的最佳性性能與有線線相似，最最大的可接接受性能與與網絡拓撲撲和應用有有關。在對無線網網絡安裝評評估、測試試和監控性性能是網絡絡管理工具具（如物理理信道的信信號質量測測量、接受受信號強度度指示器、、位出錯率率或包出錯錯率監控和和鏈接質量量指示器））無線HART通信的的要求（4）共存性和可可互操作性性在同一邏輯輯HART網絡中，，有線HART儀表表和無線HART儀儀表其共存存和可互操操作性能不不致變差。。在同一個無無線網絡中中，無線HART設設備與無線線非HART設備的的共存性，，表現為在在運行限制制內，以及及對信息安安全、性能能、可靠性性、功耗和和帶寬影響響最小等方方面。無線HART儀表必必須在全世世界都能用用，都具有有互操作性性，也就是是說目標是是全球使用用單一頻帶帶，最壞情情況匯報是是使用3個個頻帶（即即歐洲、北北美和其他他所有地方方）。在同一個無無線空間中中，無線HART設設備與無線線非HART設備的的共存性，，表現為對對信息安全全、性能、、可靠性、、功耗和帶帶寬影響最最小。與RFID標記（供供識別和定定位）的共共存性表現現為對信息息安全、性性能、可靠靠性、功耗耗和帶寬影影響最小。。在同一個無無線空間不不同無線HART網網絡群的共共存性，例例如有兩中中不同的應應用要求，，一是高采采樣率網絡絡，另外一一個為低采采樣率。與其他無線線網絡的共共存性，最最佳是在保保證最好性性能的前提提下可自動動忽略其它它信道，最最差則可用用手動選擇擇信道。無線HART的的通信信模型型OSI模模型型物物理理層層(PHY)——IEEE802.15.4/2.4GHz(目目前前)915MHz(未未來來)數數據據鏈鏈路路層層/MAC——以以TDMA為為基基礎礎、、兼兼帶帶CSMA增增強強混混合合協協議議數數據據包包跳跳頻頻網網絡絡層層——以以全全網網格格拓拓撲撲結結構構為為基基線線若若要要精精簡簡功功能能性性，，用用戶戶可可組組態態若若要要求求特特殊殊拓拓撲撲，，用用戶戶可可組組態態傳傳輸輸層層——分分隔隔在在應應用用層層與與網網絡絡層層之之間間會會話話層層——包包括括在在應應用用層層內內表表示示層層——包包括括在在應應用用層層內內應應用用層層——用用戶戶定定義義/與與電電子子設設備備描描述述語語言言eDDL信息息安安全全——基基于于現現有有標標準準電源源——路路由由選選擇擇要要考考慮慮電電源源狀狀態態問問題題MACPHY2.4GHzAPI安全層32-/64-/128位加密應用層網絡層拓撲星形/網格/簇形樹狀IEEE802.15.4無線HART用戶芯片通信棧應用無線線HART為為什什么么不不采采用用ZigBee工作作組組曾曾考考慮慮過過采采用用ZigBee，，但但在在審審視視了了無無線線HART的的要要求求后后認認為為ZigBee存存在在以以下下問問題題：：ZigBee網網絡絡由由網網絡絡協協調調器器、、FFD和和RFD3種種類類型型的的節節點點構構成成，，其其中中RFD確確為為低低功功耗耗，，但但不不能能處處理理Mesh網網絡絡的的路路由由，，限限制制了了無無線線HART網網絡絡的的可可擴擴可可縮縮；；FFD可可處處理理Mesh網網絡絡的的路路由由，，但但它它必必須須一一直直處處于于工工作作狀狀態態，，要要實實現現低低功功耗耗較較難難；；在在ZigBee網網絡絡中中只只能能有有一一個個網網絡絡協協調調器器(網網關關)，，冗冗余余網網關關尚尚難難解解決決；；ZigBee雖雖然然在在2.4G頻頻帶帶有有16個個頻頻道道，，對對于于一一個個具具體體設設備備只只能能設設置置一一個個頻頻道道，，當當在在現現場場發發現現已已設設置置頻頻道道有有干干擾擾時時必必須須重重新新由由人人工工設設置置另另外外的的頻頻道道，，頻頻道道選選擇擇不不夠夠靈靈活活。。無線線HART網網絡絡(Mesh網網格格拓拓撲撲)HART變送器(附路由器)HART中繼器HART網關無線線HART網網絡絡(混混合合Mesh網網格格/星星形形網網絡絡拓拓撲撲)HART變送器(附路由器)HART中繼器HART網關可在在節節能能方方面面發發揮揮巨巨大大作作用用低功功耗耗、、高高可可靠靠性性的的工工業業級級的的無無線線變變送送器器系系列列，，在在降降低低能能耗耗的的潛潛在在能能力力已已為為美美國國政政府府能能源源部部所所看看好好。。據據悉悉，，2004年年美美國國能能源源部部投投資資1,000萬萬美美元元與與Honeywell公公司司簽簽訂訂一一項項合合同同，，繼繼續續深深入入開開發發XYR5000系系列列產產品品（（目目前前它它只只適適合合美美國國使使用用的的載載波波頻頻率率915MHz的的產產品品，，尚尚無無適適于于全全球球使使用用的的2.4MHz的的產產品品））。。美國國能能源源部部希希望望利利用用無無線線網網絡絡技技術術廣廣泛泛而而實實時時地地跟跟蹤蹤和和監監測測生生產產過過程程，，主主要要針針對對鋼鋼鐵鐵、、電電解解鋁鋁等等6個個耗耗能能大大的的行行業業，，減減少少甚甚至至杜杜絕絕跑跑冒冒滴滴漏漏，，以以獲獲得得顯顯著著的的節節能能效效果果（（能能耗耗降降低低15%））。。美國國能能源源部部化化巨巨資資簽簽約約基基于于該該無無線線變變送送器器系系列列產