浅谈无线技术在工业自动化中的应用

林永周

【摘要】 远程通信与传感器是目前无线技术领域中的重要研究对象，它们的发展加速了工业自动化的前进脚步。文中简要介绍了Zigbee和UWB这两种典型的无线技术在工业自动化中的相关应用。

【关键词】 无线技术 工业自动化 通信 Zigbee UWB超宽带

无线技术在目前的工业自动化及通信市场领域应用极为广泛，这主要得益于它的几大优点。例如相比较于有线通信更加节约成本而且构建方便，时刻都能为工业自动化应用带来合理的应用方案；其次就是追加节点，拥有强大的扩展性。即在已有的无线网络基础上增加了更多WAP无线接入点，对软件设置修改并达到扩展节点的目的。而基于无线技术的安全协议由于拥有独特加密算法和扩频跳频技术，所以它既不容易被窃听，也具有更稳定的抗干扰性，这在恶劣的工业环境领域中就能够发挥极大的作用。

一、Zigbee无线技术在工业自动化领域中的应用

Zigbee具有低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本和近距离传输等特点，是典型的双向无线通信技术。在工业自动化领域中，它常被应用于自动控制和无线控制环境中，能够满足某些小型工业设备的无线联网及控制需求。从技术构造角度来看，Zigbee的协议主要包括了网络层、数据链路层、物理层、应用框架层等等。它基于IEEE802物理层及数据链路层标准构建，在实际应用中拥有以下几大特点。

1、Zigbee的技术应用特点。首先一点它的功耗相当低，如果将其调节到低耗电待机模式下，两节5号电池就能为它提供6个月的电量维持。这一优势是目前工业自动化领域的无线技术所没有的。第二它的数据传输速率和成本都很低。一般情况下它的传输速率只有10～250kb/s，是典型的低传输应用技术。由于拥有低传输速率，因此它的协议也相对简单，这也帮助企业极大程度降低了工业自动化运营成本。据统计一个Zigbee芯片的单体价格只有3～5美元。第三它的时延性比较短，这主要体现在它的通信时延和休眠状态激活时延环节。一般来说，Zigebee设备在搜索时间时的典型时延值都要在30ms以上，而设备激活时间则为15ms，活动设备接入时间也有15s左右。最后它具有高度的安全可靠性，Zigbee为工业自动化体系提供了较为完整的数据检查和鉴权功能，这完全得益于它所采用的AES-128加密算法和碰撞避免策略。这两大功能一方面确保了工业自动化设备运行过程中数据的安全完整性，另一方面也避免了由于固定宽带通信业务预留时隙所造成的发送数据冲突情况出现。

2、具体应用。就目前我国的工业自动化发展现状来看，Zigbee技术在工控传感器领域比较常见，例如自动抄表系统。考虑到目前已有的GPRS无线抄表系统在运营成本方面花费过高，而Zigbee网络抄表系统由电力部门自行建网设计开发，无需缴纳任何额外费用，再加之它的超大容量和广覆盖能力，所以目前许多企业在工业自动化这一层面都会采用Zigbee技术来对其工业环境温湿度、气体、污水等等进行无线监测。再一方面，在工业自动化领域中还会基于Zigbee的网络功能来采集数据并传递到汇聚节点，借助微处理器、GPRS模块与Zigbee共同构成汇聚节点，实现诸如UDP/TCP等自动化协议。在实际应用过程中，用户端利用GPRS与PC服务器作为基础模块构建硬件平台、软件数据库，对所收到的数据进行分析和处理，进而实现对企业工业技术领域全网络的管理与任务执行[1]。

二、UWB超宽带无线技术在工业自动化领域中的应用

上文所述的Zigbee拥有其自身独特的优势，但是它的技术特点也决定了它的局限性，那就是只能在短距离低速率的场合中应用。然而在实际工业监测过程中，自动化操作必须要求拥有高素质影像配合数据分析处理，这显然是需要更快捷高速的数据传输效率的。因此，UWB超宽带无线技术的存在就弥补了这一点，满足了工业自动化的进一步应用需求。

UWB（Ultra Wideband）技术占空比较低，它通过冲击脉冲来作为信息载体实现无载波通信技术。具体来说，它依赖于脉冲串来传递信息，并将信息调制到离散脉冲信号上，直接通过窄脉冲发射信号来实现通信功能，是典型的无载波传输技术。在工业图像及声音监控领域，UWB技术被得以广泛应用。以一张分辨率为640x480、色彩为24位的实时视像为例，据检测它的图像数据量高达7.32Mb/帧，数据传输率也达到190Mb/s。如此之高的数据率传输显然是大部分无线技术所无法做到的。所以在实际应用过程中就在工业设备的摄像头处增加一处微处理器，对所摄录的实时图像进行简单的压缩处理，进而将图像数据率降低到几十Mb/s左右。此时运用到UWB技术，远程传输图像数据到UWB中心控制室，再配合远程监控为中心控制室与远程主机端形成无线网络连接，最终促成无线通信体系共同完成工业图像及声音监控和数据获取工作[2]。

总结：无论是Zigbee还是UWB，它们都是相对而言功耗更低、效率更高的短距离无线通信方式。正是有了它们的存在，工业自动化领域的无线技术应用才越来越广泛，生产效率才越来越高，这是许多其它无线通信技术所无法比拟的。

参 考 文 献

[1] 兰音波.基于Zigbee无线传感器网络技术 的水环境监测系统[D].南京邮电大学，2015.

[2] 崔旭，郭殿锋.工业自动化领域中的无线技术[J].城市建设理论研究，2014，（10）.