【理学论文】工业自动化领域中的无线技术

 【摘要】笔者概述了工业自动化领域中的无线技术方法及特征，并探讨了UWB无线通信技术在工业自动化领域中的运用效果及发展的新趋势，对指导工业自动化领域中的无线技术具有一定的参与价值。

【关键词】工业自动化，领域，无线技术

一、前言

几年来，我国工业自动化领域中的无线技术取得了飞速发展，但依然存在一些问题和不足需要改进，笔者对工业自动化领域中的无线技术存在的主要问题进行分析，对工业自动化领域中的无线技术创新策略进行研究，对加快工业自动化推进的步伐，具有十分重要的意义。

二、Z igbee技术特征

Z igbee是一项近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术, 在一定情况下，主要适用于自动控制与远程控制领域, 是为满足小型廉价设备的无线联网与控制而制定的。Z igbee是 IEEE 802.15. 4技术的商业名子。与此同时，这项技术的核心协议由 2005年 12月成立的 IEEE 802. 15. 4工作组研究制定的, 但是，高层应用、互联互通测试与市场推广由 Zigbee联盟负责。接着研究的问题是Z igbee联盟成立时间是 2001年 9月, 现在包括英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司等在内的百余家知名企业。在一定程度上，Z igbee的协议主要是由物理层、数据链路层、网络/安全层、应用框架及高层应用规范组成。其中IEEE 802. 15. 4负责物理层与数据链路层标准; 据此开始研究Zig-bee联盟负责网络层与应用层的研发。 Z igbee协议栈如图 1所示。

Z igbee技术的主要特征如下:一是功耗低。在低耗电待机条件下, 两节普通5号干电池才可使用 6 个月以上, 这是 Zigbee支持者所特定的优势。二是数据传输过程中速率低。只有 10~ 250 kb/s,专注于低传输应用。三是成本比较低。 Z igbee 数据传输速率比较低, 而且协议简单, 很大程度上降低了成本。为此，预算今年年底一个 Zigbee芯片价格可能降到 3美元。四是网络容量比较大。统计显示，网络可容纳 65536个节点。五是有效范围比较小。有效覆盖范围在10~ 75 m之间, 在一定情况下，要具体根据实际发射功率大小与各种不同的应用模式确定。六是工作频段很灵活。在一定程度上，应用的频段分别为2. 4GH z(全球)、868MH z( 欧洲 ) 与 915 MH z(美国 ) , 都是免执照频段。七是安全适用。 Z igBee提供了数据完整性检查与鉴权功能, 采取 AES- 128加密算法。八是诚信可靠。采用了碰撞预防办法, 并且，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 防止发送数据的竞争和冲突。九是时延短。 Z igbee 通信时延与从休眠状态激活的时延都很短, 设备搜索时间典型值为 30 ms,设备激活时间典型值是 15 m s, 活动设备接入时间是 15ms。在此基础之上，Z igbee主要应用于数据传输速率不高的诸多电子设备之间, 比如：医疗护理 与工控等。其中最典型的应用是自动抄表系统。为此，当前 GPRS/CDMA无线抄表系统成本相对较高, 并且还要向电信运营商支付一定额度的费用, 另一种电力线联网 ( PLC)技术运行则不够稳定。据此，比较而言, 运用Z igbee网络的抄表系统由电力局自行建网, 在一定程度下，不需要交纳额外的费用, 另外，Z igbee网络超大的容量一般可以满足覆盖的需求,因此 Z igbee在无线自动抄表领域具有广阔的发展前景。与此同时，在井下无线监控、工业环境的温湿度监测、污水监测、气体监测上 Zigbee也具有很大的优势。在特殊条件下，由于传感器与通信技术的发展, 无线传感器网络 (W ireless sensor networks, WSN)的概念已深入人心。 Zigbee在无线传感器网络的运用上有着无法比喻的优势。在一定程度上，无线传感器网络也是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点构成、经过无线通信方式，并且形成的一个多跳的自组织的网络系统, 为此，具有监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等诸多优点。WSN 可应用于工业自动化系统、设备故障诊断、恶劣环境下生产过程监控等。同时，无线传感器网络设计的首要目标是能源的高效利用, 也就是说, 在保证正常的监测功能的条件下, 尽可能较少的消耗节点的能量, 同时，延长网络的生命周期。基于这一点, 它和 Z ig-bee的设计目标相符。其次。传感器网络严格要求每个节点的成本要尽可能达到最低,并且要求很严格。只有这样, 一个网络才可以拥有较多的节点, 在个别节点无效的条件下，可以迅速的重新规划确定路由, 从而，不致于使网络瘫痪。第三，Z igbee网络可以同时容纳 6.5万多个节点, 足能保证多源数据的采集。在一定条件下，一个传感器网络通常包涵传感器节点、汇聚节点与管理节点。同时，传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块与能量供应模块四部分组成, 是一个微型的嵌入式系统, 它兼顾传统网络节点的终端与路由器双重功能。传感器网络的体系结构见图 2。

汇聚节点连接传感器网络与外部网络, 达到两种协议栈之间的通信协议转换, 在此基础上，发布管理节点的监测任务, 还要把收集到的数据转发到外部网络上。为此，用户通过管理节点对传感器网络实施配置与管理, 发布监测指令以及收集监测数据。同时，针对传感器网络的组成结构, 可以应用 Zigbee节点作整个网络的传感器节点, 并且，在整个监测区域内，组成一个 Zigbee网络, 每个传感器节点内嵌 Zigbee协议栈, 实现基本的 Zigbee网络功能,与此同时，把采集到的数据传输给汇聚节点, 还要接受汇聚节点对其下达的任务与命令。在一定程度下，利用一个微处理器 + GPRS模块作为汇聚节点, 据此，用来连接传感器网络和 GPRS网络, 实现 TCP/UD P等协议, 把数据打包封装成帧, 在一定条件下，通过 GPRS网络传递给主控制室, 并把主控端的命令解封装, 然后，传达给传感器节点。在用户端接一个 GPRS模块与 PC机服务器做硬件平台, 软件包含数据库等,在这一过程中，对收到的数据进行认真分析, 同时对整个网络进行管理。在特定情况下，Z igbee自身的特点决定了它只能应用在短距低速的条件下, 在工业监测中, 必须注意工作流程，有很多时间需要的是实时的图像, 这就必须有高速的数据传输率, 因而, 在这一点上, Zigbee有着致命的缺点。UWB技术的出现使这种运用需求成为了可能。

三、UWB无线通信技术在工业自动化领域中的运用效果

1. UWB无线通信技术分析。

在特定条件下，UWB无线通信技术是一项采取时间间隔极短的脉，而不用载波的通信方法。同时，具备以下优势：一是具有很强的抗干扰能力，这主要是这一技术的自身特征，在一定情况下，此技术的所有频段和当前我国通信系统，所采取频段之间各自安好且互不干扰。在特定情况下，一旦发射信号，它发射的无线电脉冲信号不但很微弱，并且所输出的功率也相对比较低；二是具有传输速率高、能耗低的特征，和Zigbee相比较，一定情况下，它的传输速率比Zigbee要高得多，最高时可能高达几百兆字节每秒，并且能耗很低，这主要是由于其发射时不能采用载波，同时，只在脉冲发射时消耗很低的能量；三是具有较高的安全功能，就有线技术相对比而言，不论是安全性或者是稳定性都大于有线通信技术。在一定程度下，基于此技术中融入了跳时扩频技术方法，因而信息数据接收设备，只有在知道发送端扩频码的前提条件下，对发射的数据进行接收，同时，发射功率谱密度较低，通常的信数据接收设备是不会接收的，为此，显现其安全功能；四是定位优点比较，这主要是由于这样系统本身具备的良好定位优点，一定条件下，穿透性能很强。因此其具备比较精确的定位性能，精准度能高达10米左右，为此，这也是别的通信技术无法可比的优势。五是具有较强的多径分辨功能，和一般无线通信技术比较，一定程度下，它的多径传播效应的通信质量与数据的传输速度很大程度的增强。

2. UWB无线通信技术在工业自动化领域中的运用。

从UWB无线通信技术用途的起源进行分析，刚开始时主要用在军事方面的雷达领域，一定条件下，用来开发军事雷达科技。从2005年3月开始，UWB技术被美国批准可以在非军事领域运用，从此UWB技术才得到了新的突破，通过科学发明，得到越来越广泛的应用。从UWB技术进行分析，一定条件下，它说具有的传输速率很高，为此，在工业自动化方面具有明显的优点，得到了广泛的应用。一定条件下，在工业自动化方面，其要求对数据进行精确的定位。在测量方面，特别是在底下探测方面，具有十分广阔的发展前景。在一定条件下，这种技术能够实现实时图像与声音的传输，这么高精度的数据量传输，在当前现有的无线技术中是难以实现的。为此，在这一通信技术的实际运用过程中，要在摄像头端安装微型处理器，一定程度下，经过简单压缩并处理实时传输的图像数据，就能使数据传输速率降到几十兆字节每秒，从而，最后利用UWB无线通信技术，将图像数据传送到数米开外的中心控制室。

四、结束语

通过对新时期下，通过对Z igbee技术存在的问题分析，进一步明确了Z igbee技术与UWB技术是时下无线通信市场的最流行的技术之一, 是无线网络重要的组成部分,为无线网络管理系统的优化完善奠定了坚实基础，无线技术具有广阔的应用发展前景。其有助于提高企业的竞争力和效益。

参考文献:

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