工业自动化领域中的无线技术研究

王萨

摘 要：近年来，以太网、互联网等网络架构已越来越广泛地应用于自动化工业领域，取代传统的串口通信将成为自动化系统通信的主流。文章重点分析了工业自动化领域中的无线技术，希望能和同仁们一道分享。

关键词：无线通讯技术 工业自动化 应用发展

我国的无线通信技术发展前景广阔，市场秩序良好，无线通信技术将是未来一段时间内最受欢迎的技术，其自身具有无法比拟的优势，促进了工业自动化的迅速发展，具有广阔的应用前景，潜力很大。相信随着技术的发展，Zigbee技术与UWB技术将会不断地完善和进步，对工业自动化领域将是一大进步，其发展可以更好地推动工业自动化的蓬勃发展。

1 无线技术的优点

有线通信的建立必须通过物理链路，布置线缆费时费力，有时，由于某些工业环境（如高温高压）及其地理位置（如经过湖泊、林区等）的特殊性，不易布线。即使建好以后，还易遭受雷击、环境的腐蚀及鼠虫的啮咬：一旦出了故障，不但不易查找，维修起来也很不方便。相比而言，无线技术就要便利的多，无需布线，故障诊断也很容易，可以借助网络进行远程诊断。一个通信网络建好以后，往往因为某种原因增加新的设备节点，如果采用有线方式就要追加布线，更极端的情况可能破坏原来的通信链路。但是，如果采用无线组网，就可以在已有的无线网络的基础上，增加无线接入点（wirelessAccess Point WAP），修改少量的软件设置就可以达到扩展节点的目的。对于工业无线网络的节点而言，只要它能执行自己的功能，可以把节点放置到某个工业区域的任何地方，物理移动有着很大的自由性。无线技术有自己的安全协议，有独特的加密算法，不易被窃听：由于采用了扩频或跳频技术，具有很好的抗干扰性，这在恶劣的工业环境中极为重要。

2无线技术分析

2.1传感器网络

现场设备层无线通信迅速进入工控领域，其中一个突破口就是现场总线和无线通信技术的结合。以Zigbee 网络为例，其特点是：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用休眠模式；采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；一个Zigbee 网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee 网络；针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；与现有的控制网络标准无缝集成，通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取，为了可靠传递，提供全握手协议；Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性；模块的初始成本较低。

2.2无线局域网

自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。在工业自动化领域，有许许多多的感应器、检测器、计算机、PLC、读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232 或RS-485。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效地扩展了工业设备的联网通信能力。无线网通信协议可采用IEEE802.3来实现点对点传输方式或采用IEEE802.11实现一点对多点传输方式，也可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，其中现场以无线网卡使用最为普遍。

2.3蓝牙技术

近年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如，IEEE的标准化机构，也已经成立了802.15工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。IEEE802.15.2 TG2是探讨蓝牙技术如何与IEEE 802.11b 无线局域网技术共存的问题；而IEEE 802.15.3 TG3 则是研究未来蓝牙技术向更高速率（如10～20Mbits/s）发展的问题。国内的一些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的开发。蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术，可以支持设备与设备之间的通信，工作频段是全球开放的2.4GHz频段，可以同时进行数据和语音传输，传输速率可达到10Mb/s，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。蓝牙技术的应用非常广泛而且极具潜力。它可以应用于无线设备（如PDA、手机、智能电话、无绳电话）、图像处理设备（照相机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、票据管理、安全检查）、消费娱乐（耳机、MP3、游戏）、汽车产品（GPS、ABS、动力系统、安全气袋）、家用电器（电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机）、医疗健身、建筑、玩具等领域。

3无线技术在工业自动化领域中的发展趋势

当前无线局域网重要的发展方向是通信协议的标准化。如无线系统与现有系统的共存性，不同厂家设备的相互可操作性以及系统之间的相互协作性，这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。无线局域网今后的研究方向主要集中在安全性、可靠性、能耗性、移动漫游、网络管理以及与其它移动通信系统之间的关系等问题上。其发展方向有：更高的通讯速率；研发智能天线进一步提高频谱利用率，增加覆盖范围；与Wimax（微波存取全球互通Worldwide Interoperability for Microwave Access）融合，支持高速、移动接入。现场总线的无线传输的可行性正在评估，无线通讯技术将会和现场总线技术更加紧密结合。无线传输目前尚处在发展的早期阶段。无线技术首先会在楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控等领域得到应用。当前较适宜应用的行业有汽车制造、食品加工、制药和设备资产跟踪等。由于工厂无线技术种类较多，技术特征差异比较大，无线通信只是现有有线通信系统的一种发展和重要补充，决非一种替代，工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展。

参考文献：

[1]付刚.浅谈无线局域网在智能建筑中的应用[J].民营科技. 2012

[2]李春林.工业自动化领域中的无线技术[J]. 工业仪表与自动化装置. 2012