工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新無(wú)線單片機(jī)解決方案：MC13224, CC2530,MSP430F5437+CC2520， 都是很好的SoC 微控制器解決方案(見表1) ，這些方案的特點(diǎn)是，高度集成化設(shè)計(jì)，微處理器和無(wú)線收發(fā)部分在同一芯片內(nèi)部，需要電路板面積小于2平方厘米，外圍只小于很少零件，就有很強(qiáng)抗干擾能力。工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)，都可以使用同一微處理器來(lái)設(shè)計(jì)。

采用上述方案，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，最大的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)和方便，因?yàn)闊o(wú)線單片機(jī)芯片價(jià)格很低，甚至已經(jīng)低于許多類型普通單片機(jī)，設(shè)計(jì)者可以放手進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，不必?fù)?dān)心芯片損壞等。另外目前國(guó)內(nèi)嵌入式設(shè)計(jì)的知識(shí)已經(jīng)相當(dāng)普及，設(shè)計(jì)工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，路由器，節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)我們熟悉的普通單片機(jī)系統(tǒng)，核心技術(shù)沒有什么不同，而且IAR編譯，調(diào)試系統(tǒng)是目前世界是最強(qiáng)大的商業(yè)化嵌入式C語(yǔ)言軟件設(shè)計(jì)工具，配合成都無(wú)線龍通訊提供的無(wú)線單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，樣板工程設(shè)計(jì)，JTAG在線仿真器，你可以精確的將故障定位到每一行指令，將無(wú)線組網(wǎng)和通訊，實(shí)現(xiàn)慢動(dòng)作式的重放，并隨時(shí)捕獲空中無(wú)線數(shù)據(jù)包裝。整個(gè)無(wú)線通訊軟件硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程，在這些高級(jí)調(diào)試開發(fā)工具的幫助下，完全透明化，可控制化，使你像開發(fā)你的其它單片機(jī)系統(tǒng)一樣，快捷容易的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

三、ZigBee PRO 符合工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求

與面向家庭的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(ZigBee2004到ZigBee 2006屬于這類面向家庭的技術(shù))不同，面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要滿足以下五個(gè)方面需求。

高可靠性：大部分的工業(yè)控制應(yīng)用要求數(shù)據(jù)的可靠傳輸率要超過(guò)95%。為了實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用無(wú)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)高可靠傳輸面臨以下挑戰(zhàn)，ZigBee PRO協(xié)議棧采用2.4 GHz物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)(包括數(shù)據(jù)的調(diào)制，激活和休眠射頻收發(fā)器,信道能量檢測(cè),信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示,空閑信道評(píng)估,收發(fā)數(shù)據(jù)等)具有很強(qiáng)抗干擾能力，而且MAC層和應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能，另外MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用。網(wǎng)絡(luò)層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)可以有多條路徑，路徑的冗余加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，比如受到干擾，或者其中一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，ZigBee PRO可以進(jìn)行路由修復(fù)，另選一條合適的路徑來(lái)保持通信。同時(shí)ZigBee PRO最新增加的頻率捷變(frequency agility)，也大大加強(qiáng)其作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的可靠性，ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾，比如各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線干擾，無(wú)法正常工作時(shí)，整個(gè)ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)動(dòng)態(tài)的切換到全部16個(gè)頻道的一個(gè)干凈工作信道上(實(shí)現(xiàn)FHSS跳頻功能)。和其它目前采用DSSS+FHSS的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較，ZigBee PRO可靠性和抗干擾性更勝一籌。采用表1無(wú)線單片機(jī)，都可以支持ZigBee PRO無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

嚴(yán)格實(shí)時(shí)性：對(duì)于工業(yè)閉環(huán)控制應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應(yīng)低于1.5倍的傳感器采樣時(shí)間。ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)針對(duì)工業(yè)通信對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為毫秒級(jí)別，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了網(wǎng)絡(luò)路由效率。在通過(guò)多跳接力的方式進(jìn)行傳輸?shù)难舆t大幅度降低，完全能夠保證端到端通信實(shí)時(shí)性。

低能耗：用于對(duì)工業(yè)全流程進(jìn)行泛在感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于成本的限制和安裝條件限制，通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。由于表一中列出的新型無(wú)線單片機(jī)和ZIGBEEPRO 無(wú)線前端的一系列革命性的新設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)的電池壽命應(yīng)達(dá)到3至10年。能夠?qū)崿F(xiàn)使用最少的能源的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全問(wèn)題日益突出，一些安全漏洞將給工業(yè)控制應(yīng)用造成巨大的損失。無(wú)線通信由于信道的開放特征更容易受到攻擊，其安全保障機(jī)制將更加復(fù)雜。

為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)了高安全模式(High Security Mode)，就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)路時(shí)，信托中心(Trust Center, TC) 會(huì)先配一把萬(wàn)能金鑰(Master Key)給新加入的節(jié)點(diǎn)，然后，新加入的節(jié)點(diǎn)再用這把萬(wàn)能金鑰透過(guò)SKKE 的流程，與網(wǎng)路中的任何節(jié)點(diǎn)建立連結(jié)金鑰(Link Key)，最后再利用連結(jié)金鑰加密后產(chǎn)生一把網(wǎng)路共用的網(wǎng)路金鑰，網(wǎng)路金鑰(NWK Key)放在應(yīng)用層有效載荷中傳送給對(duì)方，然后再通過(guò)網(wǎng)路傳輸加密資料。ZigBee PRO安全設(shè)計(jì)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全通訊的主要要求。

而且如表1所示的新的16位，32位無(wú)線單片機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，已經(jīng)完全具有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全算法的能力，對(duì)應(yīng)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的挑戰(zhàn)。

兼容性：為了保護(hù)用戶的原有投資，基于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有與工廠原有的有線控制系統(tǒng)互連和互操作的能力。采用ZigBee PRO設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)和目前工業(yè)以太網(wǎng)，CAN總線，各種工業(yè)控制總線的無(wú)縫連接，和互聯(lián)網(wǎng)的IP通訊。ZigBee也是全球無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要標(biāo)準(zhǔn)，是具有很好兼容性的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件。

綜上所述，以傳感和控制為目標(biāo)ZigBee PRO無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有加強(qiáng)版商業(yè)級(jí)和工業(yè)的協(xié)議棧，完全可以滿足上述五個(gè)方面的要求，使用ZigBee PRO協(xié)議棧，完全可以設(shè)計(jì)出圖2所示結(jié)構(gòu)那樣，滿足自己特別應(yīng)用要求的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目和產(chǎn)品。

四、有線到無(wú)線，我們笑迎新的技術(shù)挑戰(zhàn)

本文重點(diǎn)介紹的是工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)間雙向通訊的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的無(wú)線控制控制，包括繼電器，I/O,開關(guān)控制，電機(jī)控制，都已經(jīng)是很容易實(shí)現(xiàn)的，水到渠成的事情，只需要在軟件和硬件上進(jìn)行一些小的擴(kuò)展就可以了。