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。

图示出该公司的三级无线网络架构： 现场网络（ IEEE 802.15.4 和无线 HART ） 控制网络（ IEEE 802.11和 IEEE 802.16 ，即WiMax ） 工厂局域网（ IEEE 802.11 和 IEEE 802.16 ）

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。

网格拓扑时间同步协议 TSMP（ 2/2）

TSMP节点只有 3种工作状态：向相邻节点发送消息； 侦听处在发送状态的相邻节点； 与嵌入的传感器或处理器构成接口。

对其它的所有时间而言，该节点处于休眠状态，功耗极低。

无线设备的功率有 95%是在发射和接收时耗掉的。 TSMP毫无例外地、而且是主动地让网络中所有的节点（包括那些为相邻节点作消息传递接力的节点，即所谓的路由节点）的占空比都只有 1%，这就是解决网络的所有节点全部由电池供电，并且还能达到长寿命的实际方法。

Emerson的现场无线网络

该无线系统的规模可大可小，最小为 5 个节点，而最多可达 100,000 个。按支持符合 SP100规定的第 1 至第 5类应用设计，目前已经过现场实际考验的应用为第 3 至第 5类，即开环控制类和监控类。Emerson 公司的 SmartPowerTM创新，保证无线设备所用电池寿命因实际应用场合不同可达 5 至 15 年。在信息安全方面，Emerson宣称使用了加密、授权、验证、抗感染和密钥管理等技术 ，并经第三方安全专家的认可，足以保证稳妥可靠的信息安全。该系统可以用在各种流程制造业，包括炼油、石化、化工、制浆和造纸以及水和废水处理等，也可用在石油和天然气采集、输油或输气管线及生产平台的远程监控。

此外， Emerson还与设备制造商、用户和工业协会组织一起，积极支持 SP100 的标准和 HART 通信基金会有关无线 HART规范制定。并承诺一旦这些标准正式发布后，所推出的无线系统可以非常方便地升级，使之完全符合标准。

ABB 和 BP做了大量无线技术工业应用实验

在积极制定工业自动化环境下无线网络标准的同时，开发和完善满足 SP 100 要求的无线短程网的协议及其在实用条件下的验证工作也一直在大力地推进着。

事实上，早在 SP100标准工作启动之前， ABB 公司在 2003 年就开始了在无线网络运用于开环控制和闭环控制的工厂试验。结论是开环控制和操作指导不成问题，闭环控制还存在较大问题。

BP 公司也从 2004 年起在化工产品铁路槽车的远程信息处理，大型运油船引擎的振动、温度等参数的监控，油气管线的腐蚀检测，润滑油供应链，液化天然气罐远程监控，油气管线侵入者检测报警，液化天然气容器跟踪以及炼油过程的无线测量平台等多个不同的应用场合进行了许多工业实验。总的结论是：目前的无线技术已完全可满足无线监控系统的要求，离开璧还控制的要求距离尚远。

Invensys的无线工业应用策略

室内

室外

专用无线网络

数据传输率

功耗

成本/

复杂

度

Invensys 正 在 克 服 壁 垒，面 对 安 全 的 无 线 工 业 应 用

Invensys Process Systems宣布其无线通信在工业应用中的策略是：通过建立独特而广泛的管理网络实现其应用要求，即集中在共享接入点技术，以及所有无线设备（不管供应商，也不管应用在哪一级）的共用数据和安全模型。

这种策略的目的是：为所有工业和企业的无线应用，提供适当水平的集成、稳健性和信息安全的基础保证。

通过无线网络简化测量和数据采集，使得过去在有线通信环境下显得不实际、甚至不可能的方案得以实现。其期望的无线应用解决方案包括：过程优化、设备管理、实时的装置状态监控、能源管理、人员跟踪、资产设备跟踪，以及以实现工业设备利用和提高可用性的协调为重点的企业资产管理。

Invensys 正 在 克 服 壁 垒，面 对 安 全 的 无 线 工 业 应 用

由于无线通信技术在工业环境中的应用正处在发展期，各式各样的新颖无线设备不断地涌入。但这些设备往往利用了专用的无线通信协议、专用的技术和与有线通信网络通信的接入点。这就造成有效利用从这些设备取得的数据变得困难重重，也难以避免保证将信息安全保持在一个适当的水平。

这就是 Invensys 为什么要对所有设备使用共享接入点技术，并且对所有的无线频率和通信协议（ WiFi 、 WiMax 、 802.15.4 、 RFID 、 ZigBee 、 VoIP 、专用协议等）使用共用的数据和信息安全模型。

前者会带给用户显著的节省成本，后者则会使通过无线网络取得的数据可容易地与资产管理软件整合。而标准化的安全模型有助于有效管理无线网络，使它保持在一个适当的信息安全和性能水平。

Invensys 正 在 克 服 壁 垒，面 对 安 全 的 无 线 工 业 应 用

Invensys 所设计的无线网络策略是与现有的工厂控制和信息网络相互补充和协调运用，它涵盖：

所需的硬件和软件对现场的调研和分析服务工程设计和系统集成服务安装、调试和投运服务不断发展的维护、支持和优化服务

现正在对北美的几个大型化工企业集团做现场调研

与工业短程应用相关的无线标准发展通信标准

• IEEE 802.15.4（基础—物理层，数据链路层）• ZigBee（网络层 /安全层、应用层）• SP100.11（低功率无线传感器设备的标准—面向现场控制）• SP100.14（高带宽无线基础设备和骨干网的标准—面向监控）

互操作标准IEEE 1451.5

应用标准• Wireless Hart • Wireless FF • SP100

WSN用操作系统 TinyOS（开放源代码操作系统，WSN科研界事实上的标准）

ISA SP100— 自动化和控制环境下实现无线系统的标准

美国仪表系统和自动化学会的 ISA SP100标准委员会正在加紧制定自动化和控制环境下实现无线系统的标准，主要面向现场仪表和设备，推荐实践指南、技术报告和相关的信息。着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境， 无线通信设备和系统技术的生命周期， 无线技术的应用。

在 SP 100标委会下开始设五个主要的分标委会： 射频物理学基础 可互操作性 用户要求 用户指南 集成

面 向 成 功 的 SP 100

SP 100 力求在现有相关标准的基础上，能在一个较短的时间内取得符合要求的结果。SP 100尽可能应用下列标准并有所提高：

ISA SP 99— 信息安全 IEEE 1451—智能传感器 FIPS 140-2— 信息安全 ISO/OSI 网络可连接的 7 层模型

SP 100 力争促进 新技术的发展和应用 无线网络的节点合理部署 从业人员和公司相互间的交流

SP100规定的六类应用

安全

0类：紧急动作（恒为关键） 信息时间性的重要程度

控

制

1类：闭环调节控制（通常关键）2类：闭环监督控制 （经常非关键） 3类：开环控制（由人工控制） 注：批量控制的 3 级（“单元“）和 4 级（”过程小单元“）由其功能决定可能是 1类、 2类，甚至为 0类

监测监控

4类：标记产生短期操作结果（例如：基于事件的维护）

5类：记录和下载 / 上载不产生直接的操作结果（例如：历史数据采集、事件顺序记录 SOE 、预防性维护）

SP100规定的六类应用

英国石油公司 CTO 提出：实际对这些类别（不包括 0类）的应用需求，大致是按以下的比例 1 ： 2 ： 4 ： 10 ： 10第四、五类应用是大量的 状态监控—振动，温度 /压力

性能监控—热交换，环境，机械性能

用于工业自动化的无线网络的首选要求成本 减少安装成本

减少运行维护成本易于安装和维护电源管理 ( 采用电池运行 )

兼容性和 可扩可缩

可互操作性 /共用基础设施 /共存性 ( 与其他射频设备共存 )

在全世界范围均能使用 (不会因所在国家的法规而无法使用 )

网络容量和网络规模可扩可缩性能 通信可靠 (正确传输的百分比 %)

适于闭环控制快速的报告速率 支持现场点对点控制

信息安全 网络安全网格拓扑自组织 (meshing) 的安全性

就地现场设备接入服务质量 (QoS) 等级和使用情况

SP100.14 和 SP100.11

SP100.14 工作组专注于低功率无线传感器设备的标准化。

SP100.11 工作组专注于高带宽无线基础设备和骨干网的标准化。

2006 年 9 月份前曾广泛征求上述标准的草案。提出草案的有： AnalogDevices, Adaptive Instruments, ANI, Apprion, Certicom, Crossbow, Dust Networks, Emerson, GE Global Reseach, Machine Talker, Nanotron, Newtrax, OMNEX, Oak Ridge National Laboratories, Sensicast, Siemens, ST, Texas Instruments, Honeywell, 和 Yokogawa 等。我国的中国科学院沈阳自动化所也提出过方案。

在这么多草案中有许多非常相近，于是便形成了几个小组。

SP100.14 和 SP100.11

WNSIA （ Wireless Networks for Secure Industrial Applications, 安全应用的无线网络）。其方案是基于 802.11 Mesh 路由的主干网和以星形拓扑为路由通信的无线传感器的组合，这两种通信均采用 TDMA （时分多路存取）调度方案。在其方案中无线传感器采用了专用的射频协议，特别是在 2.4GHz 采用窄带跳频，遭到有关共存性和可互操作性的质疑。

WNSIA以 Honeywell 为主，参加的有： EH ， Flowserve, Omnex Cortrols, Yokogawa 。

SP100.14 和 SP100.11

Emerson/Dust 组提出的是基于 Dust 的网格拓扑时间同步协议 TSMP （ Time Synchronized Mesh Protocol ）的全网格无线传感器解决方案。该协议工作于 IEEE 802.15.4 的 2.4GHz物理层，并规定所有的通信均处于 TDMA 的时间槽。通信调度集中控制，所以任意一种环境或传感器就地的变化都要求进行新的调度计算，并由网络协调服务器向所有节点传播。

本方案是所有提出的方案中唯一一个全网格结构的方案，完全不用星形、树形或簇状树形拓扑。

SP100.14 和 SP100.11

Sensicast/STG/GE 方案与前述 Dust 的方案基本相同，差异仅仅在于将集中计算的工作分散由各个路由节点去完成。系统组建为簇状树形，路有器节点以树形拓扑返回网关。终端节点与路有节点以星形拓扑通信，时间槽由路由节点分散指定。

Siemens 方案提出星形拓扑的性能和网格拓扑的多样性和灵活性。由于方案不够具体，尚不得而知如何解决两种拓扑的性能协调问题。

SP100.14 和 SP100.11

上述方案有以下共同点：IEEE 802.15.4 的 2.4GHz 物理层和 MAC 层。自适应跳频（ AdaptiveFrequency Hoppin

g, AFH ）。TDMA 和 CSMA/CA均有提出，但折衷出现

在 IEEE 802.15.4 的 MAC 层，采用修正 GTS （有保证的时间槽）机制，以支持 AFH 。

尚未提出占优势的安全和授权结构。

SP100两个主要技术阵营 实际上后面两个组（ GE 组和 Siemens 组）都支持 Emerson 组，所以现在形成两大技术阵营：

以 Honeywell 为主的阵营 3eTI, Crossbow, Adaptive Instruments, Endress+Ha

user, Flowserve, Omnex controls, Yokogawa.以 Emerson 为主的阵营

Advanced Industrial Networks, Apprion, Certicom, Freescale/Motorola, GE, Invensys, Machine Talker, Nanotron, NewTrax Technologies, Oak Ridge Nat Lab, Sensicast, Siemens, Software Technology Group, TI/Chipcon, 中科院沈阳自动化所

互操作标准— IEEE 1451.5

– 实现 IEEE 802.11, Bluetooth, ZigBee 间的互操作

无线现场设备的应用标准

Wireless HART将 HART 的应用规范

移植到 SP100 上

Wireless FF将 FF 的应用规范移植到 SP100 上

SP100

PHY868MHz / 915MHz / 2.4GHz

MAC

NetworkStar / Mesh / Cluster-Tree

WirelessFF

API

WirelessHART

应用层

WSN 用的操作系统的标准化问题 TinyOS是一种专为无线传感器网络开发的低功耗、轻量级的开放

源代码的嵌入式操作系统。它最早是由美国加州大学伯克利分校开发，目前似乎已成为WSN科研界事实上的标准。

今年 4月底在MIT召开的传感器网络的信息处理会议上曾专门就WSN 用的操作系统的标准化问题，组织了 SP100 、 ZigBee 和 Internet Engineering Task Force(IETF) 与 TinyOS Technology Exchange(TTX)展开研讨。

ZigBee联盟曾在早期对 TinyOS做过技术评估，但从商业的观点来看，它不适合于 ZigBee潜在用户的商业计划开发环境。 ZigBee最后采用了 OSAL嵌入式操作系统。

经过两三年的发展，WSN与 TinyOS都取得了长足进步。如果TinyOS建立了真正的抽象层，可以适应各种工业通信协议（一般为 1-2-7层模型）按需求进行变化或升级，也就是说 TinyOS应更紧密地遵照OSI分层模型。另外，考虑到 SP100在 IEEE802.15.4和无线传感器射频的 FHSS跳频机制之间做出选择时，就更需要抽象层了。

总之，如果TinyOS要真正从仅为科研界所接受的WSN用操作系统，发展成也为具有商业目的无线短程网协议（如 SP100和 ZigBee 等）所接受，它必须作相应的改变。

HART 基金会正在积极开发无线 HART 协议

ARC的统计数据表明，截至 2005 年止，全世界已安装的现场仪表达 5,300—5,500万台，其中采用 4—20mA信号的达 35% ，气动信号 13% ，采用HART的达 39% ，采用专用信号的为 13%，采用现场总线的仅 2%左右。

HART 通信基金会 HCF投资开发新的技术能力和工具，无线 HART已成为开发重点，成立了无线工作组正在制定新的技术规范。

4—20mA HART气动信号现场总线专用信号

无线 HART 协议应该具有目前有线 HART 协议能够解决的所有应用，也就是说可以满足在 SP 100规定的第 0类到第 5类的全部应用的要求。

HART 7.0规范中的 WirelessHA （ 1/2 ）

2007 年 4 月 HCF 公布了 HART 7.0规范，其中有关无线 HART 的规范，包括：

WirelessHART 用户导则 HCR_LIT-086无线物理层规范 HCR_SPEC-065TDMA 数据链路层规范 HCR_SPEC-075网络管理规范 HCR_SPEC-085无线命令规范 HCR_SPEC-155无线设备规范 HCR_SPEC-290

HART 7.0规范中的 WirelessHA （ 2/2 ）

WirelessHART 是基于 IEEE 802.15.4 ，可在全球应用的 2.4GHz频带，具有信道跳频、 Mesh 网络拓扑鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。它旨在为过程测量和控制提供有足够确定性、并具有可互操作性的无线通信标准。

将无线通信纳入 HART规范，将在 HART原有一切功能的基础上进一步提升具有 HART 功能的现场仪表和主系统的技术能力。

这就是说，有线 HART 和无线 HART除了通信介质不同而产生的必要规范而外，它们运用同样的 HART命令结构、同样的软件工具。

无线 HART 通信的要求（ 1/4 ）

一般要求 HART 无线标准支持公用无线现场设备的基础结构，与正在开发的工业标准（如 SP 100 ）在互操作性、易于安装和维护等方面密切合作。

为保证可靠性和规模可扩可缩，协议必须适用与点对点和网格 (mesh)拓扑结构，其中点对点为最小网络。

重点是工厂内现场设备网络级的通信，作为有线连接的一种替代。 对于单个现场设备，网络至少必须支持两种应用存取信息，例如 DCS

和手持式 PDA存取设备。 规模可扩可缩性能：一个无线接入点（ WAP ）可根据网络拓扑和应用

场合接入一台到多台设备。 一台回路供电的 4-20mA/HART 现场设备，也可有第二个数字通信通道—无线 HART 通道，而不致于使 4-20mA/HART回路性能变坏。

远程设备组态—不用物理连线可对设备进行组态的能力。 无线现场设备及网络部件必须具有在危险区正常运行的性能。 当前生产和使用的 HART 设备也可具有无线 HART 通道，作为冗余通

信信道。 允许设备间通过无线网络交换信息、扩展 HART 6 （存取设备参数变

量）的能力。

无线 HART 通信的要求（ 2/4 ）

成本和使用简便 网络安装和维护成本要比有线网络少一个数量级

（至少 1/2 ，目标是 1/10 ），例如安装难度不超过无线家庭网络、不要求对安装现场进行预评估。

设备安装成本小于或等于有线设备。信息安全 网络对于“非授权接入”的信息安全能力（如加

密、周期性对授权密钥自动赋值要优于有线系统，不会对用户带来任何影响）

无线 HART 通信的要求（ 3/4 ）

性能和可靠性 电源管理—电池寿命至少 3 年。最佳目标为与设备的寿命

相同（ 15 年以上），这与应用的具体要求和环境条件有关。 在要求高可靠的通信时， HART 无线网络支持冗余无线路径和冗余网关 / 网络协调器。

为现场仪表组态、调试投运，由移动设备（手持式操作器、PDA 、便携式电脑）与现场设备的无线链接，其最佳响应时间性能与现有的手持式操作器相同，目标小于 10秒。

无线请求 /响应延迟的最佳性能与有线相似，最大的可接受性能与网络拓扑和应用有关。

在对无线网络安装评估、测试和监控性能是网络管理工具（如物理信道的信号质量测量、接受信号强度指示器、位出错率或包出错率监控和链接质量指示器）

无线 HART 通信的要求（ 4/4 ）

共存性和可互操作性 在同一逻辑 HART 网络中，有线 HART 仪表和无线 HART 仪表其共存性和可互操作性能不致变差。

在同一个无线网络中，无线 HART 设备与无线非 HART 设备的共存性，表现为在运行限制内，以及对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小等方面。

无线 HART 仪表必须在全世界都能用，都具有互操作性，也就是说目标是全球使用单一频带，最坏情况汇报是使用 3 个频带（即欧洲、北美和其他所有地方）。

在同一个无线空间中，无线 HART 设备与无线非 HART 设备的共存性，表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。

与 RFID标记（供识别和定位）的共存性表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。

在同一个无线空间不同无线 HART 网络群的共存性，例如有两种不同的应用要求，一是高采样率网络，另外一个为低采样率网络。

与其他无线网络的共存性，最佳是在保证最好性能的前提下可自动忽略其它信道，最差则可用手动选择信道。

无 线 HART 的 通 信 模 型OSI模型 物理层 (PHY)—IEEE 802.15.4/2.4GHz( 目前 )

915MHz( 未来 )

数据链路层 /MAC—以 TDMA 为基础、兼带 CSMA增强混合协议 数据包跳频

网络层—以全网格拓扑结构为基线若要精简功能性，用户可组态若要求特殊拓扑，用户可组态

传输层—分隔在应用层与网络层之间会话层—包括在应用层内 表示层—包括在应用层内 应用层—用户定义 / 与电子设备描述语言 eDDL

信息安全—基于现有标准电源—路由选择要考虑电源状态问题

MACPHY2.4GHz

API安全层

32-/64-/128 位加密

应用层

网络层 拓扑星形 / 网格 /簇形树状

IEEE802.15.4

无线HART

用户

芯片 通信栈 应用

无线 HART 为什么不采用 ZigBee

工作组曾考虑过采用 ZigBee ，但在审视了无线 HART 的要求后认为 ZigBee存在以下问题：

ZigBee 网络由网络协调器、 FFD 和 RFD3 种类型的节点构成，

其中 RFD确为低功耗，但不能处理 Mesh 网络的路由，限制了无线 HART 网络的可扩可缩；

FFD 可处理 Mesh 网络的路由，但它必须一直处于工作状态，要实现低功耗较难；

在 ZigBee 网络中只能有一个网络协调器 ( 网关 ) ，冗余网关尚难解决；

ZigBee虽然在 2.4G频带有 16 个频道，对于一个具体设备只能设置一个频道，当在现场发现已设置频道有干扰时必须重新由人工设置另外的频道，频道选择不够灵活。

无线 HART 网络 (Mesh 网格拓扑 )

HART变送器

(附路由器 )

HART中继器

HART网关

无线 HART 网络(混合Mesh 网格 /星形网络拓扑 )

HART变送器

(附路由器 )

HART中继器

HART网关

一个基于无线短程网技术的应用实例

焊接过程参数的无线监控系统

开发焊接过程无线监控系统的必要性（ 1/2 ）

目前国内只有 5家企业拥有国家核安全局颁发《民用核承压设备制造资格许可证》。

而通过 ASME核电规范产品保证体系的审核，是具备国际资质的核电设备制造企业的必要条件。

某锅炉厂有限公司是国内电站锅炉、核电用压力容器、化工过程用压力容器的主流生产厂之一，近年来生产发展极为迅速。

这些产品的焊接过程具有单件加工、无固定工作台、加工周期一般较长、产品的质量与加工过程的各种参数密切相关等特点。对于生产过程中的质量监控和数据采集，过去一直沿用眼看手记的传统方法。这种方法显然不能满足实时、真实的要求。需要创建一种无线数据采集和处理系统，以达到对生产过程的参数进行灵活、及时的采集和分析，在线掌握车间的加工质量信息。

开发焊接过程无线监控系统的必要性（ 2/2 ）

高压容器的加工对焊接质量要求极严。选择正确的焊接方法和焊接工艺是保证焊接质量的前提。

焊接工艺规定，在焊接过程中焊接电流、电压必须保持在容许的参数区间内，被焊工件的预热温度也是直接关系到焊接质量的重要参数。如果焊接厚度大，要进行多次焊接才能完成，那么在焊接过程中，对焊层之间的层间温度的监控，同样是关系设备运行安全的必不可少的措施。

如果我们能对整个焊接过程中以上各参数进行全程采集和监控，对提高焊接加工的质量讲是至关重要的。

问题在于车间大，项目多，同时有多台焊机作业，而焊机往往又分散分布，依靠质检人员巡视监督，巡回一轮的时间在半个小时以上。费时费力不说，尚难免有所疏漏。

最好的办法当然是建立一个自动的焊接过程数据采集系统。

焊接过程质量无线监控系统功能和构成

系统功能 :

焊接过程参数测量、显示、记录和报警报表记录、显示、打印

系统构成： 焊接参数测量仪表或传感器； 基于 IEEE 802.15.4/ZigBee无线传输技术的无线短程网络，包括协调器、路由节点和终端节点； 上位计算机及相关应用软件。

协议 TCP/IP

网络交换机

监控中心 公司内部局域网

网络协调器

ModBus

终端节点 01

路由节点 02

路由节点 01

终端节点 02

终端节点 03

路由节点 03

路由节点 04

路由节点 05

终端节点 04

路由节点 06

终端节点 05

终端节点 06

监控机

ZigBee 网络

系统图

无线节点安装方位示意图

通过对工业现场实地进行无线通信试验后，最终确定了网络组成。整个网络由一个ZigBee监控节点，9 个路由节点，和若干个可移动现场数据采集节点构成。

点对点快速传输测试首先进行点对点大流量通讯测试：一节点作主动节点，发出查询包并接收返回包，一个节点作被动节点，接收查询包并发送返回包给主动节点。主动节点每次发包中间没有设置人为延时，收到即发，如果 100ms 没有收到，则认为是超时，发送下一查询包

测试结果表明：即使在不加任何保护，不采用路由方式的快速传输效果，即使在工况比较恶劣的情况下也是可以接受的。

测试结果如下：

测试距离 测试条件 发包数 收包数 丢包率60 米 无遮挡物， ZigBee 无重

发26547 26499 0.18%

50 米 视距有遮挡物， ZigBee无重发

18976 18914 0.33%

无线系统的性能测试结果测试条件 跳数 发包数 收包数 丢包率

发送间隔 ZigBee Modbus

1秒 有重发 无重发 2 8762 8761 0.01%

1秒 有重发 无重发 3 8473 8470 0.035%

1秒 有重发 无重发 4 8675 8663 0.13%

30秒 有重发 无重发 2 5773 5773 0%

30秒 有重发 无重发 3 5448 5448 0%

30秒 有重发 无重发 4 5299 5298 0 .018%

60秒 有重发 无重发 2 3446 3446 0%

60秒 有重发 无重发 3 3642 3642 0 %

60秒 有重发 无重发 4 2857 2857 0 %

在上位机通过串口工具每隔一定时间发送一次ModBus协议包，分别发往不同跳数 (hop) 的节点。

系统的无线传输完全满足用户需求根据数据可以很明显的看出在发送时间比较短的情况下，丢包率随着跳数的增加显著提高。

但是在发送间隔增大后，丢包率并没有随着跳数有很大的变化。

通过分析可以发现，在发送时间很短的情况下，由于每一跳网络传输都需要占用时间，因此在 4跳的情况下，相当于上位机一次的发送接收要经历 8次 ZigBee 传输，任何一跳出现问题，都会导致传输失败。同时由于发送时间很短，易出现前后两个包互相干扰的情况，而重发机制所起到的作用不大。在发送间隔扩大到 30秒钟后，基本没有出现丢包的问题。

对于用户的实际需求，大型堆焊机的查询间隔大约为 15-20分钟，手工电弧焊大约为 60秒，加之上位机有 ModBus重发机制，系统完全能够满足用户的需要。

ZigBee 网络的三种节点网络协调器： ZigBee 网络内节点地址的分配；生成网络路由表，动态地与网络路由节点通讯，完成本

无线监控系统的 ZigBee 无线网络协调、维护功能； 转换通讯协议的网关作用，即把采集终端节点由路由节

点传来的数据（ ZigBee 格式）转换为 MODBUS 协议的格式，并通过上位计算机串口 RS232C 输往在上位监控软件，完成监控的数据采集功能。

路由节点：完成网络路由功能，将由终端节点采集来的数据通过 Mesh 网络接力传输发送给网络协调器。

终 端 节 点：将测量的现场信号变换成数字信号，保存在寄存器内。终端节点将数据处理为 ZigBee 的数据包格式，通过 ZigBee 无线网络最终传到上位监控机。终端节点由 3部分构成 : 传感器、终端设备、电源。

焊接电流电压终端节点

焊

机

终端设备

电流互感器+

-电压变送器

电压信号转换器

开 关 电 源220V AC

该类型节点通过电流互感器和电压变送器测量焊机的电流电压信号。 电流互感器测量焊机的电流，输出 0-5V 信号，电压信号转换器将其转换成 4~20mA 信号，终端设备接受 4~20mA后，转换成数字信号，保存在寄存器内，以供读取。 电压变送器测量焊机的电压，输出 4~20mA给终端节点，终端设备接受后，转换成数字信号，保存在寄存器内，供读取。

预热温度终端节点

工

件 红外温度仪

终端节点

蓄 电 池

DC 4-20mA

DC 12V

该类型节点测量待焊接工件的预热温度信号。预热温度的测量通过红外温度仪，输出 4~20mA给终端节点，终端设备接受后，转换成数字信号，保存在寄存器内，供读取。 红外温度仪的供电要求是12V DC ，终端节点的供电要求是 4~9V DC 。由于预热温度终端节点在待加工工件附近，获取 220V AC 较困难，因此采用蓄电池供电，蓄电池输出 6V 和 12V ，分别给终端设备和红外温度仪。

软 件 功 能 模 块 设 计 根据功能的定义，软件设计被分

为以下几个模块： ZigBee 无线传输部分； 加入网络和网络维护模块； ModBus 功能模块； 看门狗模块； 现场 4-20mA模拟信号模块； 显示模块； 按键处理模块； 非可失性内存操作模块 远程配置和调试模块（主要完成安装与调试过程中对节点的配置工作以及正常工作状态下的操作和调试）

ZigBee 协议栈的操作系统 OSAL ZigBee 协议栈是运行在 OSAL 的操作系统之下。

采用任务调度机制，通过对任务的事件触发来实现任务调度。

每个任务都包含若干个事件，每个事件都对应一个事件号。当一个事件产生时，对应任务的 Event 就被设置为相应的事件号，这样事件调度就会调用相应的任务处理程序。

OSAL 中的任务可通过任务 API添加到系统中，这样就可以实现多任务机制。 OSAL任务调度流程如图所示。通过 ActiveTask 的值来决定是否执行对应的任务函数 ActiveTask()

ActiveTask()

Start

ActiveTask

NextActiveTask()

N

Y

图 5.16 OSAL操作系统任务调度机制

任务事件查询函数

返回任务的事件状态

基于 ZigBee 监控系统的 Task 流程

无线数据采集Task(Event)

按键 定时时间到 串口信号ZigBee通讯部分(系统事件)

事件2 事件3事件n事件1

按键处理子程序 看门狗程序

串口信号处理子程序

通讯部分处理子程序

OSAL

OSAL

上位计算机及人机界面软件

上位机选用 Dell 公司的 210L 商用台式机。操作系统为 Windows XP 专业版。

采用组态王软件实现以下监控功能： 采集整个无线网络传送来的数据 数据处理显示焊接数据采集画面、报表画面、历史趋势图画面，网络节点状态监视等画面打印报表

操作显示人机界面（ 1/2 ）

功能画面选择 焊接参数显示

实时趋势显示 历史趋势显示

操作显示人机界面（ 2/2 ）

数据报表

无线节点状态监视

无线网络调试存在难度

相对于有线网络来说，无线网络调试起来要困难些。对于本系统，调试难度主要有以下表现：

无线数据靠电磁波在空间传输，其传输过程的检测和捕获需要借助于专用工具（ sniffer) ，而可选的工具范围很小。

工厂空间大，网络又采用网状拓扑结构。网络分级传输，不存在一个真正意义上的集中点可以获取全部传输数据。

为取得较好通信效果，节点安装位置距地面较高，不便触及，操作相对麻烦。

增加无线网络配置调试模块 针对以上问题，在软件设

计时特地考虑加一个配置调试模块，承担特殊命令的处理。

同时在硬件方面设计了一个远端控制节点发送这些命令。该节点在硬件上除增加一个串口外，其余与其它节点相同。

为方便调试和使用远端控制节点，在上位机还配置了自主开发的相应软件，能够通过串口线连接远端控制节点。其画面操作简单，适合于各种操作和配置。

无线网络配置调试模块用拓扑图

无线网络调试软件的接口画面

结 束 语（ 1/3 ） 无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。有人估计再过四、五年，即 2010 年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。

无线技术首先会用在楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控 SCADA 系统、设备资产管理、诊断维护等。当前较适宜应用的行业可能有：物流过程（装运状态监控）、汽车制造、食品加工、制药和流程行业（设备资产跟踪、监控、管理）等。

工业控制的无线技术主要集中在无线短程网方向。它们都具有相当牢固和成熟的技术基础，但为了适应工业控制要求和环境，还需要专门的开发研究。

无线现场仪表一定要实现低功耗，才可能解决供电的长期无线化和就地化。所以一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合，它足够可靠；也就是说可以用在将近 80% 的自动化和过程控制场合。

结 束 语（ 2/3 ） 现有现场总线的无线传输的可行性正在评估。基于 CAN

的 DeviceNet 实现无线通信的确定性相对要容易，因为其数据包长度相当小。现已有产品问世，但尚未见正式规范。因此只能认为这仅仅是个别的解决方案。

相对而言， Profibus-DP 的数据包长度较长 (187KB) ，若要实现无线通信，保证传输的确定性，不能采用 IEEE 802.15.4 （其带宽仅为 20-250Kbps ）。

HART 基金会已在 2007 年 4 月公布了无线 HART规范，确定通过 IEEE 802.15.4 和 2.4GHz频带，具有信道跳频、Mesh 网络拓扑、鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。推出无线 HART 的芯片已进入可期待的进程。鉴于采用HART 协议传输的仪表市场占有率高，绝对数量巨大，此动向极为吸引业界关注。

结 束 语（ 3/3 ）

适应各种不同应用类型和要求的无线通信的标准，有的已经颁布并被市场接受，有的还在制订过程中，其发展和市场开发值得我们重视。

IEEE 802.15.4作为物理层和 MAC 层的无线短程网协议，基本被广泛认可和接受为网格拓扑无线传感器网络协议。但在网络层以上，目前尚未出现普遍认可的协议（包括 ZigBee 在内），一切都还在发展中。我个人看好 SP100 的 Emerson 技术方案。

应该把无线通信看成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。