無線通信網(wǎng)絡(luò)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

1、工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化中無線短程網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的應(yīng)用前景分析,上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所 彭瑜Pengyu@sipai.com2006年5月,內(nèi) 容 提 要,為什么無線通信在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用特別受到重視？ISA SP100—自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的分類?無線局域網(wǎng)WLAN?無線短程網(wǎng)WPAN 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信已進(jìn)入工控領(lǐng)域? ABB進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信實(shí)驗(yàn)

2、? BP進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信實(shí)驗(yàn) HART基金會(huì)正在積極開發(fā)無線HART協(xié)議結(jié) 束 語,為 什 么 現(xiàn) 在 無 線 通 信在 工 業(yè) 環(huán) 境 中 的 應(yīng) 用特 別 受 到 重 視？,,為什么無線通信在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用特別受到重視？,工業(yè)發(fā)達(dá)國家和新興崛起國家為提高其產(chǎn)品在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，都力求在提高生產(chǎn)率的同時(shí)，降低包括能源消耗、原材料消耗和勞務(wù)成本。對(duì)于發(fā)達(dá)國家來講，其勞務(wù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新興崛起國

3、家，因此特別重視促進(jìn)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，采用新的技術(shù)手段。在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的比賽中，無線通信技術(shù)在工業(yè)中的推廣應(yīng)用受到了特殊的重視，顯然是基于這樣的大背景。在工業(yè)環(huán)境下任何地點(diǎn)均能安裝使用的智能無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)，具有足夠的可靠性和自治處理能力，將為各種生產(chǎn)裝置配備實(shí)時(shí)共享的數(shù)據(jù)采集能力，從而為提高生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本發(fā)揮重要作用。,Invensys的無線工業(yè)應(yīng)用策略,,室內(nèi),室外,,專用無線網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)傳輸率,功耗,成本/復(fù)

4、雜度,歐洲無線工控應(yīng)用項(xiàng)目RUNES的開發(fā)路線圖,,歐洲無線工控應(yīng)用項(xiàng)目RUNES的開發(fā)路線圖,在歐洲，從2004年10月至2005年4月，集中了25個(gè)組織（大小公司和研究所）制定了一個(gè)名為RUNES、在未來10年內(nèi)無線技術(shù)在工業(yè)控制和自動(dòng)化發(fā)展應(yīng)用的路線圖。背景：及時(shí)而牢固地抓住無線網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)系統(tǒng)安裝和運(yùn)行的高度靈活性和成本優(yōu)勢(shì)創(chuàng)造的機(jī)會(huì)。目標(biāo)：到2008年將安裝成本降低50%，運(yùn)行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低8

5、0%，運(yùn)行成本降低50%。,歐洲無線工控應(yīng)用項(xiàng)目RUNES的開發(fā)路線圖,發(fā)展無線應(yīng)用必須考慮的原則：在工業(yè)控制和自動(dòng)化中盡可能利用無線通信是必然的選擇無線通信應(yīng)與傳統(tǒng)有線通信系統(tǒng)有互操作性開發(fā)可重復(fù)配置（reconfigurable）的設(shè)備盡可能地從環(huán)境中取得電源（如用太陽能電池）盡可能采用開放的頻段（如世界通用的ISM頻段2.4GMHz）,工業(yè)環(huán)境下利用無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì),無線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：極大降低安裝成本、持續(xù)降低運(yùn)行維

6、護(hù)成本，更換方便，便于升級(jí)，減少接插件故障，移動(dòng)自由且不受限制，投運(yùn)快速，可以實(shí)際利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)。美國能源部的研究估計(jì)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能10%和降低排放或泄漏15%提供良好手段。應(yīng)充分利用無線通信，開發(fā)適當(dāng)無線產(chǎn)品和系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)我國“十一五”規(guī)劃的節(jié)能降耗目標(biāo)建功立業(yè)。,無線通信網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)應(yīng)用正在發(fā)展,無線的工業(yè)應(yīng)用當(dāng)前出現(xiàn)的新動(dòng)態(tài)是使用高速、無須申請(qǐng)頻率許可證、低價(jià)的技術(shù)。無線通信距離與具體應(yīng)用（工

7、廠自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和SCADA系統(tǒng)）強(qiáng)烈相關(guān)，一般大致在150毫米至80公里。,當(dāng) 前 影 響 無 線 系 統(tǒng)廣 泛 應(yīng) 用 的 主 要 障 礙,當(dāng)前影響無線系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要障礙是：如何克服工業(yè)環(huán)境對(duì)無線傳輸?shù)挠绊懞蜔o線技術(shù)目前發(fā)展的狀態(tài)尚難以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。工業(yè)環(huán)境對(duì)無線通信的挑戰(zhàn)有： ?工作環(huán)境溫度由-40?C—+70?C； ?高濕度（當(dāng)溫度為40?C濕度 95%時(shí)不結(jié)露）； ?本質(zhì)安全防爆要求； ?固定

8、設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備對(duì)無線傳輸路徑的影響（衰變、中斷和發(fā)生各種各樣的缺陷，諸如頻散、多徑時(shí)延、干擾、與頻率有關(guān)的衰減，節(jié)點(diǎn)休眠、節(jié)點(diǎn)隱蔽和與安全有關(guān)的問題）。,ISA SP100—自 動(dòng) 化 和 控 制 環(huán) 境 下實(shí) 現(xiàn) 無 線 系 統(tǒng) 的 標(biāo) 準(zhǔn),,ISA SP100—自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),美國儀表系統(tǒng)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)的ISA SP100標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正在加緊制定自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，推薦實(shí)踐指南

9、、技術(shù)報(bào)告和相關(guān)的信息。著重在三方面制定標(biāo)準(zhǔn)：?運(yùn)用無線技術(shù)的環(huán)境， ?無線通信設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)的生命周期， ?無線技術(shù)的應(yīng)用。主要面向現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備。在SP 100標(biāo)委會(huì)下設(shè)五個(gè)主要的分標(biāo)委會(huì)：? 射頻物理學(xué)基礎(chǔ)? 可互操作性? 用戶要求? 用戶指南? 集成,制定SP100的標(biāo)準(zhǔn)化方法論,SP 100在制定標(biāo)準(zhǔn)前提出標(biāo)準(zhǔn)化方法論： ? 環(huán)境評(píng)估—射頻、光照影響 ? 應(yīng)用評(píng)估—傳輸時(shí)間、傳輸容量

10、 ? 可選項(xiàng)評(píng)估—技術(shù)、產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn) ? 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署的評(píng)估—初始穩(wěn)定性、部 署方便 ? 性能評(píng)估—針對(duì)用戶要求 ? 維護(hù)—工具、成本、升級(jí),符合SP 100標(biāo)準(zhǔn)保證各方受益,符合SP 100將保證：? 供應(yīng)商的規(guī)范的一致性，并易于解釋? 用戶要求簡(jiǎn)明扼要、貼近，并易于解釋? 可選項(xiàng)清晰而易于鑒別? 對(duì)于要克服的問題所提供的可選項(xiàng)是可以進(jìn)行定量估算,面 向 成 功 的 SP 100,S

11、P 100力求在現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，能在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)取得符合要求的結(jié)果。SP 100盡可能應(yīng)用下列標(biāo)準(zhǔn)并有所提高：? ISA SP 99—信息安全? IEEE 1451—智能傳感器? FIPS 140-2—信息安全? ISO/OSI 網(wǎng)絡(luò)可連接的7層模型SP 100力爭(zhēng)促進(jìn)? 新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用? 無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)合理部署? 從業(yè)人員和公司相互間的交流,SP100規(guī)定的五類應(yīng)用（1）,

12、,SP100規(guī)定的五類應(yīng)用（2）,直接的操作結(jié)果的數(shù)據(jù)和消息，譬如歷史數(shù)據(jù)的采集，為預(yù)防性維護(hù)而必須進(jìn)行的周期性采集的數(shù)據(jù)，事件順序記錄數(shù)據(jù)的上傳（這類似于文件傳遞，不能因通信類型而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，屬于監(jiān)控的第5類應(yīng)用，是指通過無線傳輸那些不會(huì)產(chǎn)生但又非像控制信號(hào)那樣必須考慮時(shí)間性），其它的上裝和下載。屬于監(jiān)控的第4類應(yīng)用，是指通過無線傳輸那些只在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生操作結(jié)果的數(shù)據(jù)和消息，例如基于事件的維護(hù)而必須采集的數(shù)據(jù)，為測(cè)試需要而發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)

13、的限界動(dòng)作所產(chǎn)生的臨時(shí)而短暫的結(jié)果，無線設(shè)備上的電壓低限指示器所產(chǎn)生的告知更換電池的信號(hào)等等。,SP100規(guī)定的五類應(yīng)用（3）,第3類開環(huán)控制是指在回路中還有人在作用，例如操作人員手動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)信號(hào)裝置且注視著這個(gè)裝置，遠(yuǎn)程指導(dǎo)開啟一個(gè)安全門，操作人員執(zhí)行手動(dòng)調(diào)節(jié)泵/閥門等。第2類閉環(huán)監(jiān)督控制，通常并非關(guān)鍵部位，如不頻繁的串級(jí)控制，多變量控制，優(yōu)化控制等。第1類閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，一般均為關(guān)鍵回路，如現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器的直接控制，頻繁的串級(jí)控制等。

14、第0類恒為關(guān)鍵的緊急行動(dòng)，包括安全聯(lián)鎖，緊急停車，自動(dòng)消防控制等。,SP100規(guī)定的五類應(yīng)用（4）,報(bào)警信號(hào)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合，分屬以上由0類至5類。例如：? 0類報(bào)警是指那些具有自動(dòng)響應(yīng)的、致命有毒氣體的泄漏檢測(cè)器信號(hào)（如對(duì)污染的自動(dòng)響應(yīng)）， ? 1類報(bào)警是指具有自動(dòng)響應(yīng)的、對(duì)流程狀態(tài)會(huì)帶來高度影響的信號(hào)（如自動(dòng)停止反應(yīng)的停車信號(hào)）， ? 2類報(bào)警是指對(duì)流程狀態(tài)自動(dòng)響應(yīng)的信號(hào)（如要對(duì)某種參與反應(yīng)的流體做分流處理

15、）， ? 3類報(bào)警是指對(duì)流程狀態(tài)作手動(dòng)啟動(dòng)的操作響應(yīng)的信號(hào)（如由操作人員來判斷決定是否分流至另一并行的反應(yīng)器）， ? 4類報(bào)警是指有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的報(bào)警，以通知維護(hù)人員在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)， ? 5類報(bào)警指那些有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的報(bào)警，要求維護(hù)人員采取長(zhǎng)期維護(hù)的動(dòng)作。,SP100規(guī)定的五類應(yīng)用（5）,,英國石油公司CTO提出：實(shí)際對(duì)這些類別（不包括0類）的應(yīng)用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10

16、第四、五類應(yīng)用是大量的 狀態(tài)監(jiān)控—振動(dòng)，溫度/壓力 性能監(jiān)控—熱交換，環(huán)境，機(jī)械性能,用于工業(yè)自動(dòng)化的無線網(wǎng)絡(luò)的最緊要的要求,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的要求(1/6),成本目標(biāo) = ½(有線) + 不致增加任何維護(hù)成本,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的要求(2/6),底層結(jié)構(gòu)支持不同供貨商提供的設(shè)備,而不致干擾現(xiàn)有的無線設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的要求(3/6),像有線數(shù)

17、字通信網(wǎng)絡(luò)一樣可提供和支持閉環(huán)控制,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的要求(4/6),保持信息安全的過程具有智能特性,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的要求(5/6),必須支持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無線就地接入,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的要求(6/6),,,信息時(shí)間性的重要程度,無 線 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 的 分 類,,無線通信網(wǎng)絡(luò)的分類,無線通信網(wǎng)絡(luò)按傳輸距離可分為： ? 城際網(wǎng)（WMAN） ? 局域網(wǎng)（WLAN） ? 個(gè)人網(wǎng)（短程網(wǎng)，WPAN） 無線通信

18、網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)? 城際網(wǎng)（IEEE 802.20，IEEE 802.16）? 局域網(wǎng)（IEEE 802.11）? 短程網(wǎng)（IEEE 802.15）,,,IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)的無線空間,數(shù)據(jù)傳輸率 (Mbps),傳輸范圍,,,,ZigBee802.15.4,802.15.3802.15.3a802.15.3c,WPAN,WLAN,WMAN,WWAN,WiFi802.11,0.01,0.1,1,10,10

19、0,1000,,Bluetooth802.15.1,,,IEEE 802.22,,WiMaxIEEE 802.16,IEEE 802.20,正在發(fā)展的一些無線傳輸?shù)募夹g(shù),無線交換技術(shù)? 簡(jiǎn)化無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署? 簡(jiǎn)化無線網(wǎng)絡(luò)管理 ? 快速交付使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)? 構(gòu)成接入點(diǎn)和客戶的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)? 改善傳輸范圍，通過數(shù)據(jù)包的再傳輸可減少對(duì)返輸要求? 通過多路徑傳輸可提高傳輸?shù)目煽啃? 顯著改善網(wǎng)絡(luò)管

20、理和網(wǎng)絡(luò)能力智能天線 ? 多發(fā)射和/或接收天線（MIMO） ? 定向聚焦射頻電磁波 ? 為改善鏈接能力和可靠性進(jìn)行高級(jí)信號(hào)處理,backhaul,正在發(fā)展的一些無線傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn),ZigBee/IEEE 802.15.4 ? 特長(zhǎng)的電池壽命 ? 很適合工業(yè)自動(dòng)化，家用電器，傳感器網(wǎng)絡(luò) 超寬帶（UWB，IEEE 802.15.3a 和802.15.4a） ? 美國FCC開放一無須申請(qǐng)的自由寬帶頻率范圍3

21、.1- 10.6GHz ? 無射頻載波，低成本，低功耗，非直線傳輸 ? 在低傳輸速率模式，可用于一個(gè)重要的工業(yè)市場(chǎng)：位置感知（在2厘米-20米范圍內(nèi)） WiMax（IEEE 802.16，Intel 提出） ? 適于住宅區(qū)/經(jīng)營性建筑的長(zhǎng)距離（? 1km）射頻鏈接 ? 較高數(shù)據(jù)傳輸率（在一個(gè)20MHz的信道約70Mbps） ? 也可用于大型工業(yè)部署 ? 今年將有商品問

22、世,用于工業(yè)控制領(lǐng)域的無線傳輸網(wǎng)絡(luò),近些年來，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)成為工控領(lǐng)域中正在迅速發(fā)展的技術(shù)熱點(diǎn)之一，也是被不少工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)廠商看好的一種新的增長(zhǎng)點(diǎn)。發(fā)展重點(diǎn)主要集中在無線局域網(wǎng)和無線短程網(wǎng)。一如以往所有的IT技術(shù)移植到工控應(yīng)用中來所采取的方法一樣，基礎(chǔ)是IT行業(yè)的各種無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)。但充分考慮在這種專門應(yīng)用中的特別要求，開發(fā)適應(yīng)這些特別要求的技術(shù)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和行規(guī)。,,,適應(yīng)不同無線傳輸要求而發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù),短程 長(zhǎng)程

23、,低 高,,,,,,,TEXT,INTERNET/AUDIO,COMPRESSEDVIDEO,MULTI-CHANNELDIGITAL VIDEO,Bluetooth1,Bluetooth 2,ZigBee,802.11b,802.11a/HL2 & 802.11g,802.15.3/WIMEDIA,文本 因特網(wǎng)/聲音 壓縮圖像 多通道數(shù)字圖像,無 線 網(wǎng) 絡(luò) 標(biāo)

24、 準(zhǔn) 的 比 較,無線局域網(wǎng)WLAN標(biāo)準(zhǔn),WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11系列還在發(fā)展中，已完成的有:其中， 涉及安全的有：802.11i 安全擴(kuò)展 涉及性能增強(qiáng)的有： 802.11e MAC層的QoS擴(kuò)展， 802.11r快速漫游， 802.11n 極高吞吐能力方式，802.11s 網(wǎng)格狀聯(lián)網(wǎng) 涉及投用和管理的有： 802.11k 射頻資源管理， 802.11t 無線性能預(yù)

25、測(cè)，802.11v 無線網(wǎng)絡(luò)管理,全球WLAN的市場(chǎng)容量及預(yù)測(cè),設(shè)備單價(jià),市場(chǎng)投放量,價(jià)格從300美元（2000）降至十幾美元（2007），市場(chǎng)投放達(dá)5000萬臺(tái)。,工業(yè)WLAN和WLAN要求不同,工業(yè)WLAN的市場(chǎng)容量相對(duì)較小，但性能要求高。工業(yè)WLAN的產(chǎn)品應(yīng)可靈活地通過軟件模塊實(shí)現(xiàn)802.11的分標(biāo)準(zhǔn)。如Siemens的工業(yè)WLAN產(chǎn)品SCALANCE-W，就可提供工業(yè)QoS和快速漫游（IEEE 802.11r）的解決方案。

26、IEEE 802.11在技術(shù)上并不能提供確定性的保證，但在802.11e 中給出了在MAC層支持多傳輸介質(zhì)應(yīng)用及保證通信質(zhì)量QoS的擴(kuò)展：解決了在MAC層的優(yōu)先級(jí)服務(wù)，又通過輪詢規(guī)約（polling protocol）實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)的通信調(diào)度。由于輪詢?cè)诒举|(zhì)上具有確定性，因而可以避免由802.11的信道爭(zhēng)用和指數(shù)補(bǔ)償而造成的延遲。為了防止輪詢可能帶來的不良問題（如在需要發(fā)送的數(shù)據(jù)尚未形成之前輪詢信號(hào)已到，那么該數(shù)據(jù)的發(fā)送則不得不再等待一

27、個(gè)輪詢周期），需要通過自適應(yīng)輪詢算法保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同步。,工業(yè)無線局域網(wǎng)WLAN的要求,工業(yè)WLAN具有與企業(yè)辦公和家庭應(yīng)用環(huán)境不同的要求。這些要求可歸納為： ?嚴(yán)格的延遲要求。 ?確定性性能的保證 ?支持大量的設(shè)備掛網(wǎng)，并支持掛網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量可變化。 ?網(wǎng)絡(luò)安全的保證。 ?網(wǎng)絡(luò)投用的保證。,工業(yè)無線局域網(wǎng)WLAN的要求,?嚴(yán)格的延遲要求： 用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要求延遲不大于10ms，用于運(yùn)動(dòng)控制

28、不大于1ms，對(duì)于周期性的控制通信，使延遲時(shí)間的波動(dòng)減至最小也是很重要的指標(biāo)。?確定性性能的保證： 保證確定性是對(duì)任務(wù)執(zhí)行有嚴(yán)苛保證的工業(yè)通信系統(tǒng)必備的特性。即使設(shè)備處于漫游狀態(tài)也有此要求，否則會(huì)喪失實(shí)時(shí)性能。?支持大量設(shè)備掛網(wǎng)，并容許掛網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量可變化：工業(yè)WLAN的接入點(diǎn)約為數(shù)百個(gè)的數(shù)量級(jí)。若節(jié)點(diǎn)過多和接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)有變化，有可能導(dǎo)致IEEE 802.11的MAC協(xié)議層效率太低。?網(wǎng)絡(luò)安全的保證：滿足安全保密法規(guī)是

29、工業(yè)WLAN的基本要求。包括對(duì)黑客接入點(diǎn)的檢測(cè)和保護(hù)的前提條件。?網(wǎng)絡(luò)投用的保證：由于運(yùn)行故障是不可接受的，因此對(duì)于有幾百個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的WLAN來講要求網(wǎng)絡(luò)具有自投用功能，并能執(zhí)行無線規(guī)劃和輔助節(jié)點(diǎn)位置調(diào)查。,短 程 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 的 標(biāo) 準(zhǔn),IEEE 802.15 WPAN工作組負(fù)責(zé)制定無線個(gè)人網(wǎng)WPAN的通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15下面有4個(gè)分標(biāo)準(zhǔn)： 802.15.1為BlueTeeth（藍(lán)牙）， 802.15.

30、2為共存性 802.15.3為高數(shù)據(jù)傳輸率的WPAN， 802.15.4為低數(shù)據(jù)傳輸率的WPAN。802.15.1、802.15.2和802.15.4均正式公布。 802.15.3工作組因兩個(gè)草案投票軍未超過75%，已宣布解散。,ZigBee與藍(lán)牙的一些比較,在現(xiàn)場(chǎng)層無線網(wǎng)絡(luò)中，同樣屬于無線短程網(wǎng)的IEC 802.15.4/ZigBee要比IEC 802.15.1/藍(lán)牙更具廣泛的應(yīng)用前景。這主要

31、是基于以下三個(gè)原因：?ZigBee的應(yīng)用開發(fā)門檻遠(yuǎn)低于藍(lán)牙，其最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)工作量?jī)H為藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)開發(fā)的10%，其最簡(jiǎn)單的RFD節(jié)點(diǎn)的軟件開發(fā)工作量?jī)H為藍(lán)牙的2%； ? ZigBee的功耗遠(yuǎn)低于藍(lán)牙，這是因?yàn)榫桶l(fā)射的頻寬比來講，ZigBee為0.01，藍(lán)牙為0.99，即ZigBee的發(fā)射時(shí)間只占其周期的1%，而藍(lán)牙卻占99%； ? ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量遠(yuǎn)多于藍(lán)牙。,IEEE 802.15.4/ZigBee

32、的市場(chǎng)特性,低功耗； 低成本； 較低的報(bào)文吞吐率； 支持大型網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的數(shù)量級(jí)（不多于65K個(gè)接點(diǎn)）； 對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量QoS要求不高（甚至無QoS）； 提供可選擇的安全等級(jí)（采用AES-128）， ? 加密 ? 發(fā)送鑒別 ? 報(bào)文的完整性 為適合于多方面的應(yīng)用而進(jìn)行的靈活協(xié)議設(shè)計(jì)。,IEEE 802.15.4/ZigBee的一般技術(shù)性能,數(shù)據(jù)傳輸率250Kb/s(2.4GHz)和20/40Kb/s(86

33、8/915MHz)； 在2.4GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻帶（ISM頻帶）為16個(gè)信道，在915MHz ISM頻道為10個(gè)信道，在歐洲用868MHz 頻道為1個(gè)信道； 采用信道共享多點(diǎn)接入技術(shù)CSMA-CA（載波監(jiān)聽多信道接入/避免沖突）協(xié)議； 為保證傳輸?shù)目煽啃?，采用完整的握手協(xié)議； 為實(shí)現(xiàn)低功耗，配備極低的（小于1/1000）頻寬比（duty-cycle）能力，可提供無信標(biāo)（beaconless）操作； 支持等待時(shí)間低的設(shè)備（

34、在使用星型網(wǎng)絡(luò)時(shí)可使用有保證的時(shí)隙）； 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星型、簇狀樹型和網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?ZigBee 與 IEEE 802.15.4的關(guān)系,ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件 ZigBee繼續(xù)與IEEE緊密結(jié)合，以保證向市場(chǎng)提供一種完整的集成解決方案,ZigBee協(xié) 議 棧的 特 性,8-bit微處理器 (例如 80c51)協(xié)議

35、棧簡(jiǎn)捷緊湊甚而支持更簡(jiǎn)單的僅為從站的協(xié)議棧,ZigBee的頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率,頻帶 使用范圍 數(shù)據(jù)傳輸率 信道數(shù)2.4 GHz ISM 全世界 250 kbps 16868 MHz歐洲 20 kbps 1915 MHz ISM 北美

36、 40 kbps 10,,ZigBee 技術(shù)可靠性怎么保證?,可靠性來自以下措施的組合物理層RF 通信鏈接直序闊頻采用高處理增益明晰的信道檢測(cè)對(duì)干擾能量進(jìn)行檢測(cè)采用跳頻技術(shù)Frequency agility協(xié)議基于CRC的誤碼檢測(cè)/校正采取了避免沖突的策略CSMA/CA為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用的有保證的時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問題進(jìn)行重發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)包

37、的及時(shí)傳輸Packet data freshness經(jīng)過強(qiáng)有力認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化開放協(xié)議及可互操作性,物 理 層 特 性,802.15.4 在低信噪比的環(huán)境下誤碼率很低,,,,Bluetooth,信噪比dB,位誤碼率,藍(lán)牙要達(dá)到10-9誤碼率，信噪比要為16,,,在低信噪比的環(huán)境下ZigBee的性能超群,,藍(lán)牙,FSK,WiFi B,,信噪比,位誤碼率,IEEE 802.15.4/ZigBee的物理層協(xié)議設(shè)計(jì)保證了它的高抗

38、干擾能力,在物理層采用高處理增益的 直序/頻率快變DS/FA （DirectSequence/Frequency Agility）IEEE 802的直序擴(kuò)頻的處理增益比較處理增益越大，抗干擾和抗多徑時(shí)延擴(kuò)展的能力越強(qiáng)。頻率快變就是改變頻率，以避開從一個(gè)已知干擾源或信號(hào)源來的影響的能力。 實(shí)驗(yàn)證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達(dá)到10-9；達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙/802.15.

39、1信噪比要達(dá)16dB，802.11b要達(dá)10dB 。,IEEE 802.15.4 MAC 概述,應(yīng)用64-bit IEEE & 16-bit 短地址網(wǎng)絡(luò)理論上最大 可達(dá)264 nodes (超過實(shí)際需要的數(shù)量)采用簡(jiǎn)約地址開銷的就地尋址，可對(duì)多達(dá) 65,000 （216 ） 節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài) 規(guī)定了三種設(shè)備Network Coordinator網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器Full Function Device (FFD)全功能

40、設(shè)備Reduced Function Device (RFD)簡(jiǎn)約功能設(shè)備幀結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳送可靠Association/disassociation關(guān)聯(lián)/去關(guān)聯(lián)AES-128 安全密鑰CSMA-CA 信道存取可選帶信標(biāo)（ beacons）的超幀結(jié)構(gòu)有保證的時(shí)間間隙GTS （Gaurantted Time Slot ）機(jī)制可選,網(wǎng)絡(luò) (客戶) 節(jié)點(diǎn)最多為65,536對(duì)于要求快速響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合予以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參與時(shí)間

41、: 30 ms (典型值)由休眠從站轉(zhuǎn)化為工作狀態(tài): 15 ms (典型值)處于工作狀態(tài)的從站的存取時(shí)間: 15 ms (典型值),ZigBee基 本 網(wǎng) 絡(luò) 特 點(diǎn),,ZigBee可構(gòu)成網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò),,,,,ZigBee 終端設(shè)備 (RFD 或 FFD),ZigBee 路由器 (FFD),,,,,,,ZigBee 協(xié)調(diào)器(FFD),,,,,,,,,,,,,,,,,,,網(wǎng)狀鏈接,,,,,,星形煉接,,,,,,,,,,,,,

42、,,,,,ZigBee的Mesh組網(wǎng)方式,Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)。通過以上ZigBee Mesh結(jié)構(gòu)圖可以得知，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但可以有若干個(gè)路由器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時(shí)它也可作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）。構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能器件，也可是簡(jiǎn)約功能器件（RFD）。,Mesh

43、自組網(wǎng)絡(luò)的路由算法,針對(duì)移動(dòng)通信的要求，近些年來已提出的自組織網(wǎng)路由算法主要分為兩大類： ?基于表驅(qū)動(dòng)的路由算法(table driven) ?源始發(fā)的按需路由算法(source-initiated on-demand driven),表 驅(qū) 動(dòng) 路 由 算 法,表驅(qū)動(dòng)路由繼承了傳統(tǒng)的IP 路由,但在消除路由環(huán)路和已過時(shí)路由等方面做了適應(yīng)于自組織網(wǎng)特性的改進(jìn)。在這種路由協(xié)議中，無論路由是否被用到,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要維持路由表，并

44、進(jìn)行周期性的路由信息交換。這樣會(huì)增大移動(dòng)終端的儲(chǔ)存和計(jì)算負(fù)擔(dān),且大量浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)帶寬。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快時(shí),這些大量交換的控制信息將在很大程度上影響數(shù)據(jù)信息的傳送。,源始發(fā)的按需路由算法,源始發(fā)的按需路由算法因其更適合自組織網(wǎng)特性而成為現(xiàn)今研究重點(diǎn)。按需路由一般分為路由建立和路由維護(hù)兩個(gè)過程。它僅在節(jié)點(diǎn)有信息要發(fā)送時(shí),廣播路由建立分組,尋找最佳路由,而不需維護(hù)所有路由信息,也不用定期交換路由信息。這樣就有效地節(jié)省帶寬和內(nèi)存。如何在按需

45、路由算法中進(jìn)一步地降低開銷是提高其性能的關(guān)鍵。自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴āigBee使用了簡(jiǎn)化的AODV（Ad hoc On Demand Distance Vector Routing）的網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)。,ZigBee使用簡(jiǎn)化的AODV網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu),AODV路由協(xié)議是一種基于距離矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要節(jié)點(diǎn)維持通信過程中未達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。節(jié)點(diǎn)僅記住下一跳，而非像源節(jié)點(diǎn)路由那樣記住整個(gè)路由。它能在網(wǎng)

46、絡(luò)中的各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間動(dòng)態(tài)地、自啟動(dòng)地建立逐跳路由。當(dāng)鏈路斷開時(shí)，AODV會(huì)通知受影響的節(jié)點(diǎn)，從而使這些節(jié)點(diǎn)能被確認(rèn)為無效路由。AODV允許移動(dòng)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)鏈路的破損情況，并以一種及時(shí)的方式更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹ODV操作是無環(huán)回的，并避免了當(dāng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)快速收斂的無限計(jì)算問題(特別是當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí))。ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)性能上都有著很大的優(yōu)勢(shì)。,ZigBee的Mesh拓樸需要解決的問題,目前自

47、組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對(duì)于Mesh結(jié)構(gòu)的節(jié)電模式還沒有統(tǒng)一的方式。需要結(jié)合實(shí)際情況加以解決。由于采用多跳的路由方式，所以對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度還要做很多工作。需要結(jié)合實(shí)際情況在應(yīng)用層上開發(fā)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一路由優(yōu)化調(diào)度算法。同樣，對(duì)于大量的節(jié)點(diǎn)，怎樣合理調(diào)度使得最后產(chǎn)生的路由路徑合理有效，也是需要根據(jù)實(shí)際情況研究的方向。其他包括全網(wǎng)跳頻技術(shù)、抗干擾技術(shù)等都是需要探討的。,802.15.4和802.11b的共存性問題,利用802.15.4的信

48、道#15、#20、#25和#26可避免受802 .11b的信道#1、#6和#11的干擾。后者的發(fā)射功率為前者的30倍。,無線信息骨干網(wǎng)的一種構(gòu)型,由于ZigBee是短程網(wǎng)，不可能覆蓋整個(gè)廠區(qū)，加之原有的現(xiàn)場(chǎng)總線也很有效，所以設(shè)計(jì)了一種無線信息骨干網(wǎng)系統(tǒng)。,Wireless Information Backbones,Profibus,ZigBee傳感器,DeviceNet,Ethernet,WIB節(jié)點(diǎn),ZigBee 簇狀樹形,Zi

49、gBee 簇狀樹形,典型工廠的ZigBee無線傳感器覆蓋范圍,,,典型工廠的無線信息骨干網(wǎng)覆蓋范圍,,,通過無線信息骨干網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享,通過建立發(fā)射功率較大的無線信息骨干網(wǎng)（WIB，Wireless Information Backbones），可將ZigBee傳感器的信息傳輸給各種掛在以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線上的物理設(shè)備。WIB的節(jié)點(diǎn)一方面是無線網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一方面又起著無線通信協(xié)議和其它通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。實(shí)踐證明1W的發(fā)射功率可以

50、穿透多數(shù)的工廠和成套設(shè)備。但目前我國的無線法規(guī)只限定在30 mW內(nèi)。應(yīng)該說，ZigBee因其低功耗、低成本、傳輸可靠性高、簡(jiǎn)便實(shí)用，發(fā)展?jié)摿艽?。其發(fā)射功率小、易受鋼結(jié)構(gòu)所衰減、傳輸距離短等固有問題，完全可以經(jīng)由WIB予以解決。,現(xiàn) 場(chǎng) 設(shè) 備 層 無 線 通 信正 在 進(jìn) 入 工 控 領(lǐng) 域,,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信正進(jìn)入工控領(lǐng)域,?2004年Honeywell推出基于ZigBee無線傳輸協(xié)議的無線變送器XYR 500

51、0系列，可精確檢測(cè)表壓力、絕對(duì)壓力、溫度，還有4-20mA接口，供其它傳感器轉(zhuǎn)為無線輸出。?OMRON推出的無線鏈接DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線主站：WD30-ME和從站：WD30-SE，最多可支持DI/DO各1600點(diǎn)的通信。已成功應(yīng)用于豐田汽車裝配線的控制系統(tǒng)中。,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信迅速進(jìn)入工控領(lǐng)域，其中一個(gè)突破口是現(xiàn)場(chǎng)總線和無線通信技術(shù)的結(jié)合。以下是若干有象征意義的動(dòng)作和產(chǎn)品:,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信正進(jìn)入工控領(lǐng)域,?德國schil

52、d knecht公司推出的無線Profibus-DP產(chǎn)品DE 3000系列，可在主站與多個(gè)從站之間建立無線鏈接。其使用的載頻為2.4GHz，數(shù)據(jù)包 187.5KB，無線通信協(xié)議分別是： IEEE 802.11b(數(shù)據(jù)傳輸率11Mbit) IEEE 802.11(數(shù)據(jù)傳輸率1Mbit) IEEE 802.15.1(數(shù)據(jù)傳輸率700Kbit)?HART通信基金會(huì)HCF投資開發(fā)新的技術(shù)能力和工具，無

53、線HART已成為開發(fā)重點(diǎn)，成立的無線工作組正在制定新的技術(shù)規(guī)范，要求HART無線通信技術(shù)保證支持產(chǎn)品的互操作性，提升HART智能儀表的智能和可連接性，預(yù)計(jì)在2006年上半年完成規(guī)范草案，并與工業(yè)無線組織如SP 100無線委員會(huì)協(xié)調(diào)、合作，以確保工作的連續(xù)性和均衡性。,,WLANWPAN,ABB進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信實(shí)驗(yàn),ABB在瑞典的Boliden加工廠利用Ember的無線技術(shù)進(jìn)行了無線通信的評(píng)估試驗(yàn)。 ?開環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用,,A

54、BB進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信實(shí)驗(yàn),要求是：通過無線通信傳輸非過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，短數(shù)據(jù)包，低平均數(shù)據(jù)率，低功耗具體應(yīng)用范圍有：設(shè)備管理、狀態(tài)檢測(cè)、預(yù)防性維護(hù)和服務(wù)應(yīng)用結(jié)果證明： ZigBee完全滿足要求,ABB進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信實(shí)驗(yàn),?閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用,ABB進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無線通信實(shí)驗(yàn),要求是：通過無線通信傳輸過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)，短數(shù)據(jù)包，低平均數(shù)據(jù)率，低功耗，遲延短，數(shù)據(jù)包傳送有保證應(yīng)用范圍：制造自動(dòng)化，過程控制試驗(yàn)證明：?

55、對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)較少時(shí)，通過網(wǎng)狀拓?fù)溥M(jìn)行5次接力（hop），運(yùn)行結(jié)果很好，在延遲、穩(wěn)定性和功耗等方面均符合要求。?節(jié)點(diǎn)密度對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸存在較大影響。節(jié)點(diǎn)在50個(gè)以內(nèi)，數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔在30秒以上丟包率1%以下。這表明如何讓節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間滿足應(yīng)用的要求，對(duì)ZigBee無線傳輸成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。需要進(jìn)一步研究開發(fā)的問題有：在多跳網(wǎng)絡(luò)中保證合理的遲延，穩(wěn)健的控制算法（如為減少功耗，讓節(jié)點(diǎn)保持同步休眠的網(wǎng)絡(luò)同步

56、算法）。,丟包率（%）,節(jié)點(diǎn)數(shù),,包間隔 50秒,包間隔 15秒,ZigBee無線傳輸?shù)奶魬?zhàn)：節(jié)點(diǎn)密度，數(shù)據(jù)包間隔時(shí)間,包間隔 30秒,英國石油公司BP的無線應(yīng)用實(shí)驗(yàn),液化天然氣容器跟蹤L,油船引擎振動(dòng)監(jiān)控,潤滑油供應(yīng)鏈,液化天然氣罐遠(yuǎn)程監(jiān)控,化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理,勞動(dòng)保護(hù)服裝檢查,,油罐車駕駛員安全措施,油氣管線的腐蝕檢測(cè),油氣官線侵入者檢測(cè),無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò) (Motes),Motes概念給BP帶來巨

57、大利益，但 …..Motes 主要用于研究活動(dòng)、清潔區(qū)域..在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境中（天氣、振動(dòng)、溫度、金屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備等）它能用嗎？要Motes 在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境中完全可以使用，還待實(shí)驗(yàn)證明但 …… 大部分BP的工業(yè)場(chǎng)所要求本質(zhì)安全等級(jí)的設(shè)備，目前尚找不到本質(zhì)安全的Motes 在油船的輪機(jī)間還要求抗振動(dòng)、高溫等許多環(huán)境挑戰(zhàn)，盡管不要求本質(zhì)安全 接下去要在煉油廠進(jìn)行有關(guān)本質(zhì)安無線技術(shù)的實(shí)驗(yàn),采用Mesh拓?fù)涞臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決測(cè)

58、量問題已成共識(shí),Early Motes,BP在Schiehallion對(duì)mote技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn),12萬噸運(yùn)油船Loch Rannoch號(hào)上的 Motes試驗(yàn),在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下用motes進(jìn)行輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)控，減少了停機(jī)時(shí)間和非計(jì)劃維護(hù),在BP的 Loch Rannoch號(hào)油船上做實(shí)驗(yàn)從Schiehallion油田裝載 120,000 噸原油運(yùn)到Shetland的 Sullom Voe, 進(jìn)行了6個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，主要檢測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)情況,現(xiàn)

59、在用手動(dòng)方法進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，慢且不能做到定時(shí)檢測(cè) 用有線傳感器作狀態(tài)檢測(cè)在成本上是不實(shí)際的為此不得不定期將輪機(jī)拆開檢查,技 術(shù) 解 決 方 案,,2004年運(yùn)行了6個(gè)月26個(gè) motes, 115 傳感器, 4個(gè)網(wǎng)關(guān) 節(jié)點(diǎn)的部署需要克服高射頻背景、電壓變化以及由振動(dòng)產(chǎn)生的高機(jī)械應(yīng)力，并考慮輪機(jī)艙的艙口和隔間對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的影響還試驗(yàn)利用振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，向mote供電取得很好的經(jīng)驗(yàn),,檢查motes的安裝位置,煉油

60、過程的無線測(cè)量平臺(tái),嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下（class 1 div 2）工作的 mote,電池壽命長(zhǎng),在相當(dāng)大的范圍進(jìn)行工業(yè)測(cè)量，可靠性達(dá)99.99% 儀表安裝成本節(jié)約一個(gè)數(shù)量級(jí)無線通信可以支持各類的數(shù)字式和模擬式傳感器,煉油廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果令人滿意,按運(yùn)行要求進(jìn)行周期性的測(cè)量實(shí)驗(yàn),BP無線通信的工業(yè)實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn),對(duì)SP100 4類 和 5類應(yīng)用有強(qiáng)烈需求—通過實(shí)驗(yàn)證明在實(shí)際中完全可以應(yīng)用： 狀態(tài)檢測(cè) — 振動(dòng)和溫度/壓力 性能檢

61、測(cè) — 熱交換、環(huán)境狀態(tài)、機(jī)械運(yùn)行狀態(tài) 3類應(yīng)用（開環(huán)控制）也有需求希望 2類和慢速1類隨著用戶不斷取得經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)傳輸延遲、信息安全和穩(wěn)健性（robustness）等有更好了解之后，而逐漸有所應(yīng)用 ，以利于更多地引導(dǎo)對(duì)此類應(yīng)用的要求。,HART基金會(huì)正在積極開發(fā)無線HART協(xié)議,,HART基金會(huì)正在積極開發(fā)無線HART協(xié)議,ARC的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在全世界已安裝的現(xiàn)場(chǎng)儀表達(dá)4,000—4,500萬臺(tái)，其中采用4—20mA信號(hào)的

62、達(dá)48%，采用HART的達(dá)26%，采用氣動(dòng)信號(hào)的為13%，采用現(xiàn)場(chǎng)總線的僅1%左右。HART通信基金會(huì)HCF投資開發(fā)新的技術(shù)能力和工具，無線HART已成為開發(fā)重點(diǎn)，成立的無線工作組正在制定新的技術(shù)規(guī)范。,無線HART協(xié)議應(yīng)該具有目前有線HART協(xié)議能夠解決的所有應(yīng)用，也就是說可以滿足在SP 100規(guī)定的第0類到第5類的全部應(yīng)用的要求。,無線HART通信的要求（1）,一般要求 ?HART無線標(biāo)準(zhǔn)支持公用無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

63、，與正在開發(fā)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如SP 100）在互操作性、易于安裝和維護(hù)等方面密切合作。 ?為保證可靠性和規(guī)?？稍隹蓽p，協(xié)議必須適用與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和網(wǎng)格（mesh）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為最小網(wǎng)絡(luò)。 ?重點(diǎn)是工廠內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)級(jí)的通信，作為有線連接的一種替代。 ?對(duì)于單個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)至少必須支持兩種應(yīng)用存取信息，例如DCS和手持式存取設(shè)備。 ?規(guī)模可增可減性能：一個(gè)無線接入點(diǎn)（WAP）可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛻?yīng)用場(chǎng)合接入從一臺(tái)到多臺(tái)設(shè)備。

64、 ?一臺(tái)回路供電的4-20mA/HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也可有第二個(gè)數(shù)字通信通道—無線HART通道，而不致于使4-20mA/HART回路性能變壞。 ?遠(yuǎn)程設(shè)備組態(tài)—不用物理連線可對(duì)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)的能力。 ?無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)部件必須具有在危險(xiǎn)區(qū)正常運(yùn)行的性能。 ?當(dāng)前生產(chǎn)和使用的HART設(shè)備也可具有無線HART通道，作為冗余通信信道。 ?允許設(shè)備間通過無線網(wǎng)絡(luò)交換信息、擴(kuò)展HART 6（存取設(shè)備參數(shù)變量）的能力。,無線HART通

65、信的要求（2）,成本和使用簡(jiǎn)便 ?網(wǎng)絡(luò)安裝和維護(hù)成本要比有線網(wǎng)絡(luò)少一個(gè)數(shù)量級(jí)（至少1/2，目標(biāo)是不1/10），例如安裝難度不超過無線家庭網(wǎng)絡(luò)、不要求對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)評(píng)估。 ?設(shè)備安裝成本小于或等于有線設(shè)備。信息安全 ?網(wǎng)絡(luò)對(duì)于“非授權(quán)接入”的信息安全能力（如加密、周期性對(duì)授權(quán)密鑰自動(dòng)賦值要優(yōu)于有線系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)用戶帶來任何影響）,無線HART通信的要求（3）,性能和可靠性? 電源管理—電池壽命至少3年。最佳目標(biāo)為與設(shè)備的壽命相同

66、（15年以上），這與應(yīng)用的具體要求和環(huán)境條件有? 在要求高可靠的通信時(shí)，HART無線網(wǎng)絡(luò)支持冗余無線路徑和冗余網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器? 為現(xiàn)場(chǎng)儀表組態(tài)、調(diào)試投運(yùn)，由移動(dòng)設(shè)備（手持式操作器、PDA、便攜式電腦）與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無線鏈接，其最佳響應(yīng)時(shí)間性能與現(xiàn)有的手持式操作器相同，目標(biāo)小于10秒。? 無線請(qǐng)求/響應(yīng)延遲的最佳性能與有線相似，最大的可接受性能與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛻?yīng)用有關(guān)。? 在對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)安裝評(píng)估、測(cè)試和監(jiān)控性能是網(wǎng)絡(luò)管理工具（如物理信道

67、的信號(hào)質(zhì)量測(cè)量、接受信號(hào)強(qiáng)度指示器、位出錯(cuò)率或包出錯(cuò)率監(jiān)控和鏈接質(zhì)量指示器）,無線HART通信的要求（4）,共存性和可互操作性?在同一邏輯HART網(wǎng)絡(luò)中，有線HART儀表和無線HART儀表其共存和可互操作性能不致變差。?在同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中，無線HART設(shè)備與無線非HART設(shè)備的共存性，表現(xiàn)為在運(yùn)行限制內(nèi)，以及對(duì)信息安全、性能、可靠性、功耗和帶寬影響最小等方面。?無線HART儀表必須在全世界都能用，都具有互操作性，也就是說目標(biāo)是全球

68、使用單一頻帶，最壞情況匯報(bào)是使用3個(gè)頻帶（即歐洲、北美和其他所有地方）。?在同一個(gè)無線空間中，無線HART設(shè)備與無線非HART設(shè)備的共存性，表現(xiàn)為對(duì)信息安全、性能、可靠性、功耗和帶寬影響最小。?與RFID標(biāo)記（供識(shí)別和定位）的共存性表現(xiàn)為對(duì)信息安全、性能、可靠性、功耗和帶寬影響最小。?在同一個(gè)無線空間不同無線HART網(wǎng)絡(luò)群的共存性，例如有兩中不同的應(yīng)用要求，一是高采樣率網(wǎng)絡(luò)，另外一個(gè)為低采樣率。?與其他無線網(wǎng)絡(luò)的共存性，最佳是在

69、保證最好性能的前提下可自動(dòng)忽略其它信道，最差則可用手動(dòng)選擇信道。,無 線 HART 的 通 信 模 型,OSI模型?物理層(PHY)—IEEE 802.15.4/2.4GHz(目前) 915MHz(未來)?數(shù)據(jù)鏈路層/MAC—以TDMA為基礎(chǔ)、兼帶CSMA增強(qiáng)混合協(xié)議 數(shù)據(jù)包跳頻?網(wǎng)絡(luò)層—以全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為