工业仪表的无线通讯技术

我而言

工业仪表的无线通讯技术

随着无线通讯技术的发展和普及，在工业自动化领域内无线通讯技术也被利用和重视起来，基于有线网络的测量系统技术体现出自身的不足之处，特别是在恶劣环境的施工现场或是高温、易腐等的环境中更加体现出有线测量系统技术的弊端；而且有线网络测量系统的投资成本大、维护不方便，不利于成本收回等。因此无线通讯测量系统技术更能适应现今工业自动化领域中的测量，因为其具有组网灵活、扩展网络性能优，维护方便、投资成本小等优势，这也是无线通讯技术逐步替代有线通信技术的原因。

随着无线通讯技术的发展和普及，在工业自动化领域内无线通讯技术也被利用和重视起来，基于有线网络的测量系统技术体现出自身的不足之处，特别是在恶劣环境的施工现场或是高温、易腐等的环境中更加体现出有线测量系统技术的弊端；而且有线网络测量系统的投资成本大、维护不方便，不利于成本收回等。因此无线通讯测量系统技术更能适应现今工业自动化领域中的测量，因为其具有组网灵活、扩展网络性能优，维护方便、投资成本小等优势，这也是无线通讯技术逐步替代有线通讯技术的原因。

无线通讯技术

无线通迅(Wireless Communication)仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式，与有线通信相对。

• 工作原理
  
  

无线通讯是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。

• 分类
  
  
  

1、按照工作频段或传输手段分有：中波通信、短波通信、超短波通信、微

波通信和卫星通信；

2、按照通信方式分有：双工、半双工和单工方式；

3、按照调制方式分有：调幅、调频、调相以及混合调制等；

4、按照传送的消息类型分有：模拟通信和数字通信。

• 特点
  
  

1. 空间传播、投资小、见效快、经济实用、灵活快速；

2.多种传播手段传播各类业务；

3.受环境因素影响较大；

4.容易受到截获和窃听。

• 结构
  
  

无线测量技术代表现有工业自动化设备测量的新方向，远程无线测量系统技术的功能是将现场工业设备的图像、数据、声音等所需参数或数据采集，再将这些数据通过某种途径传送给远程监视或操作人员，经过监视或操作人员的分析和诊断后将结果通过无线通信网络反馈回远程设备接收装置中，完成整个测量的诊断过程。无线测量系统主要分为两部分：由传感器和无线通信模块组成的现场数据采集终端，以及由计算机和远程测量通信模块组成的远程测量接收端。现场数据采集终端将传感器采集到的数据经过转化，然后通过无线通信模块以无线方式与连接在计算机上的无线测量接收端相连，将现场数据传送到监控计算机上。其中传感器主要负责现场数据的采集，而无线通信模块负责将采集到的数据发送出去以及接收反馈回来的操作指令。

　　无线通信接收端包括现场监控中心、专业人员以及远程分析诊断终端等，现场监控中心主要负责将发送来的数据直观的表现在计算机上或是进行一些数据及操作的预处理；专业人员主要负责对难处理数据及操作给出直接的诊断；远程诊断终端是诊断系统的处理者，是测量数据的接收者也是指令下达的发送者，主要包括两大类终端：Internet连接终端和GPRS模块终端。

几种常见无线通讯技术

• ZigBee
  
  

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，Zigbee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

ZigBee 是由ZigBee 联盟所主导的标准，定义了网络层、安全层、应用层、以及各种应用产品的资料；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层及媒体存取层。

2001 年8 月成立的ZigBee 联盟就是一个针对WPAN (无线个人局域网)网络而成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术。他们开发的技术被称为ZigBee 技术，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC 外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中；

ZigBee 联盟已于2005 年6 月27 日公布了第一份ZigBee 规范ZigBee Specification V1.0。这标准定义了在IEEE 802.15.4-2003物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用服务。ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构；

ZigBee网络拓扑结构

C：协调器，网络的核心，确定网络的ID号，通信通道号等参数。不可断电。

R：路由，可作为数据的接力设备，也可作为数据产生设备。不可断电。

E：端点，数据端点，可断电或休眠，通过路由与其它设备通信。

ZigBee网络主要参数：

通信频段                       ISM2.4GHz

通信通道                        16个（可任选或设置）

网络识别                        32位ID（相同ID为同一个网络，才可互通）

设备地址                        64位固定地址或16位动态地址

空中通信速率                    250kbps

发射功率                        1mW~50mW（1dBm~20dBm）（可设定）

接收灵敏度                      －100dBm

室内通信距离                    可达100m

室外视线内通信距离              可达3200m

• WirelessHART（无线）
  
  
  

FF、PNO 和HCF（Emerson、SIEMENS、E+H、ABB等）组建无线合作组(Wireless Cooperate Team)，支持在过程自动化（PA）领域统一使用WirelessHART；

2008年1月，HART7.1（WirelessHART）发布；

2008 年7 月18 日，瑞士国家委员会向IEC SC65C 提交了WirelessHART 的NP 和PAS文件；

2008年9月19日WirelessHART通过IEC PAS投票，成为IEC/PAS 62591 Ed.1；

2008 年10 月24 日WirelessHART 通过IEC NP 投票，将WirelessHART增加到由MT9维护的IEC 61588和IEC 61784中。

无线HART的主要特点：

网络拓扑结构：Mesh, Star, Mesh-Star 三种结构都支持,每个网络设备具有路由能力。

协议层结构划分：5 层结构，物理层、链路层、网络层、传输层、应用层。

管理模式：所有资源分配和管理统一由System Manager 负责。

用户应用进程配置：在配置不同的用户应用进程间的通信关系时，通信的端点以64 位网络地址和网络ID 标识。

只在物理层上兼容IEEE 802.15.4:2006，在MAC 层上并不兼容。

跳频方式：时隙跳频+慢跳频，按照预设模式进行跳频选择。

信道接入方式：TDMA（Time Division Multiple Access）时分多址。把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。

时钟同步机制：利用Ack报文中的时戳同步。

安全机制实现：在数据链路层和传输层实现认证和加密功能。

• WIA-PA
  
  
  

WIA-PA （Wireless Networks for IndustrialAutomation-Process Automation）2006 年9 月，全国工业过程测量和控制标准化技术委员会立项开展“工业用无线通信技术”国家标准体系研究及关键标准起草工作；

由中国科学院沈阳自动化研究所牵头，联合浙江大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、重庆邮电大学、上海工业自动化仪表研究所、北京科技大学、西南大学、中科博微公司、浙江中控集团、东北大学、大连理工大学等组成“工业用无
线通信技术”标准体系研究及关键国家标准起草工作组；

2008年8月完成了《工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范》WIA-PA 的IEC PAS文件和国家标准草案制定工作；

2008 年8 月底，SAC/TC124 通过国家标准化管理委员会国际部及时向IEC正式提交了WIA-PA 的IEC PAS文件草案的表决稿；

2008年10 月31日WIA-PA技术于以96％的得票率通过IEC审查（仅日本反对），成为IEC/PAS 62601，是国际上与WirelessHART被同时承认的仅有的两个国际标准化文件之一；

WIA的主要特点：

网络拓扑结构：Mesh-Star 结构,网络以分簇的方式组织，分为两层，簇首具有路由能力。

协议层结构划分：4 层结构，物理层、链路层、网络层、应用层。

管理模式：只支持分布式管理，簇首的资源分配和管理由NetworkManager 负责；簇成员的资源分配和管理由簇首负责。

WIA-PA 完全兼容IEEE 802.15.4:2006。

跳频方式：簇间通信为时隙跳频，簇内通信为自适应跳频AFD，根据信道状况选择跳频频道。

信道接入方式：TDMA时分多址+ CSMA载波侦听多路访问+ FDMA频分多址,支持簇间采用频分方式，提高频谱利用率。

时钟同步机制：通过网关或路由设备发出的信标完成时间同步。

安全机制实现：在数据链路层和应用层实现认证和加密功能。

• WI－FI：
  
  
  

Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。

Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

无线仪表用的WI-FI产品：

频率：                  ISM 2.4-2.5GHz

通道个数：              14

协议：                  802.11 b, g, and n

通信距离：              120 m

数据传输速率：          802.11 b 1, 2, 5.5, and 11Mbps 802.11g 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, and 54 Mbps 802.11 n 6.5, 13, 19.5, 26, 39, 52,58.5, and 65 Mbps

工作电压：              3.1~3.6V

发射电流：              250mA

接收电流：              150mA

休眠电流：              2uA