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工业环境下无线短程网技术应用的发展和实践 上海工业自动化仪表研究所 彭 瑜 2007年6月 短程无线通信技术的发展 短距离无线通信系统是指依靠无线技术可在一二百米的有效范围内实现数据传输的解决方案。 人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络来实现低价位、低功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和商业用户提供各种服务。目前，短距离的无线应用在无线需求市场上快速增长，例如RF识别、无线局域网(WLAN)、个人无线连接网络(WPAN)等。 目前几种主流的短距离无线通信有： 高速WPAN技术 UWB高速无线通信技术（包括MB-OFDM、DS-UWB、WirelessUSB） 低速WPAN技术（包括IEEE802.15.4/ZigBee和蓝牙等） 今天我们主要讨论的是基于IEEE802.15.4的低成本、低数据率的WPAN技术。 低成本、低功耗和对等通信—无线短程网的重要特征 短距离无线通信技术的三个重要特征和优势是 ： 低成本、低功耗和对等通信 低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本很难推广。 低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在１毫瓦量级。 对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式如载波侦听。 欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图 欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图 在欧洲，从2004年10月至2005年4月，集中了25个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为RUNES、在未来10年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。 背景：无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性及成本优势创造了机会，及时而牢固地抓住不放。 目标：到2008年将安装成本降低50%，运行成本降低30%；到2014年将安装成本降低80%，运行成本降低50%。 欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图 发展无线应用必须考虑的原则： 在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必然的选择 无线通信应与传统有线通信系统有互操作性 开发可再配置（reconfigurable）的设备 尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池） 尽可能采用开放的频段（如世界通用的ISM频段2.4GMHz） Emerson的三级无线网络 Emerson Process Management 在2006年第四季度宣布，在历经三年对多种无线传输技术的评估和工业应用实验后，正式决定采用Dust Networks的网格拓扑时间同步协议TSMP技术，作为其工厂智能无线现场网络和解决方案。 这一创新的自组织无线网络技术的采用，使它的著名品牌Rosemount? 测量变送器和ATMTM 智能设备管理程序和预测维护套件实现了无线通信的能力，并完全与DeltaVTM 和Ovation?的DCS 产品系列或其它传统主机构成无缝连接。 Mesh网络拓扑的高传输可靠性 Emerson的智能无线解决方案是世界上第一个将自组织网络技术用于工业应用的示范工程。过去三年中，在北美和欧洲几个现场试验的结果证实，其数据传输的可靠性在99%以上，而安装成本比同等的有线方案要低90%。 由图中的例子我们便可明白，为什么 自组织无线网络的可靠性大于99%： 若通道AB的传输可靠性为65%、通道AC 的传输可靠性为40%、通道AD的传输可 靠性为85%，尽管全都低于99％，但是 在任何需要的时刻，由A发至网关的数 据通道会以大于99%的概率加以传输。 网格拓扑时间同步协议TSMP（1/2） 网格拓扑时间同步协议TSMP解决了网络所有的构成节点共享发送、接收和休眠的精确时间同步。在对电池功耗有严格要求的场合（如无线传感器网络WSN），这是十分关键的。只有全部节点的同步唤醒和同步休眠，才能实现电池的长寿命。 TSMP与其它WSN所用的信标策略不同，它考虑到信标策略会要求侦听窗口长时间投入工作，从而消耗电池的功率，所以不在每个数据帧的起始处设一同步信标，代之以TSMP节点保持一个精确的时间读出，还要通过与相邻节点交换补偿信息来保证同步。这个补偿值与标准的ACK确认消息一起传送，因此没有额外的时间和功率开销。 这一共同的时间读出信号，保证网络具备了许多优点：?带宽可预先配置，确保了极可靠的发送和自干扰为零；?发送节点在每次发送时可有效地改变频率，而接收节点可保持锁步；?以可预见和有条理的方法来调节带宽的增减，以适应数据流的突增或突减。 网