相关技术介绍

ZigBee pro 符合工业无线网络设计要求

面向工业自动化应用的无线网络技术需要满足以下五个方面需求：

 高可靠性：大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。为了实现在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，ZigBee pro 协议栈采用2.4 GHz物理层都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum,直接序列扩频）技术（包括数据的调制，激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示，空间信道评估，收发数据等）具有很强的抗干扰能力，而且MAC层和应用层（APS部分）有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制节点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用；网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee pro 可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信。同时，ZigBee pro 新增加的频率捷变（frequency agility）,也大大加强其作为工业网络使用的可靠性，ZigBee pro网络受到外界干扰，比如各种工业现场的无线干扰，无法正常工作时，整个ZigBee pro 网络可以自动化动态的切换到全部16个频道的一个干净工作信道上（实现FHSS跳频功能）。和其它目前采用 DSSS+FHSS的工业无线网络协议比较，ZigBee pro可靠性和抗干扰性更胜一筹。

严格实时性：对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。ZigBee pro 网络针对工业通信对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为毫秒级，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，加上ZigBee pro 新的路由算法，大大提高了网络路由器效率；再通过多跳接力的方式进行传输的延迟大幅降低，完够保证端对端通信实时性。

低能耗:用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器节点由于成本的限制和安装条件限制，通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电。

安全性：随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂。

为了工业网络应用设计了安全模式（High Security Mey），就是当节点加入到网络时，信托中心（TrustCenter,TC）会先配一把钥匙（Master Key）给新加入的节点，然后，新加入的节点在用这把钥匙加密后产生一把网路公用的网路金钥，网路金钥（NWK Key）放在应用层有效载荷中传输给对方，然后再通过网路传输加密资料。ZigBee pro的安全设计，完够实现工业无线网络对安全通讯的主要要求；而且，新的16位，32位无线单片机具有强大的处理能力，已经完全具有能力实现复杂的安全算法的能力，应对工业无线传感器网络提出的挑战。

兼容性：为了保护用户的原有投资，基于工业无线传感器网络要具有与工厂原有的有线控制系统互联和互操作的能力。采用ZigBee pro设计的无线网关，能够实现和目前工业以太网，CAN总线，各种工业控制总线的无缝连接，和互联网的IP通讯。ZigBee也是无线传感器网络的重要标准，是具有很好兼容性的工业无线传感器网络网络协议软件。

综上所述，以传感和控制为目标的ZigBee pro无线网络，具有加强版商业级和工业的协议栈，完全可以满足上述五个方面的要求，使用ZigBee pro协议栈，完全可以设计出满足特别应用要求的工业无线传感器网络项目和产品。

图一是一个典型的工业用无线传感器网络示意图，部分是低功耗的传感器节点（可以使用电池长期供电、太阳能电池供电，或风能。机械振动发电等），网络路由器（具有网状网络路由功能）和无线网关（将信息传输到工业以太网和控制中心，或者传输通过互联网联网）

 

 

 

 

WSN系列工业无线传感器网络系统简介

一．    系统概述

WSN系列工业无线传感器网络系统是由山东科技大学测控系与泰安斯耐特自动化设备有限公司自主研发的工业无线网络监控系统，主要应用于各类工矿企业中对诸如温度、湿度、压力、荷重、液位、速度、振动、电压、电流等电量和非电量过程参数的监测和无线传输为目的。无线传感器网络是基于ZigBee技术，无线网络具有自动搜索无线终端信号功能，对无线终端测量的现场信号进行中继与传输终送到工业计算机进行相应的数据处理。无线传感器网络完全可以取代传统的有线传感器网络，其突出优点是安装灵活、管理方便、易于更改配置和不易出现线路故障等，特别是在传感器安装密度大和不易布线的应用系统中，无线传感器网络较有限传感器网络更具有不可替代的优势。

作为传感器网络通常安装在一些关键部位对一些特殊的参数进行实时监测，并将检测的数据通过无线传输系统传输到上位机进行相应的处理，以备以后的事故和工艺分析查用。上位机管理系统可以实现对被检测参数进行实时显示、储存和数据记录、信息分析，对超限的参数可以实现声光报警。操作人员和管理人员可以根据需要对当前或历史的数据信息进行查询，查询内容可以是列表方式，也可以是数据趋势曲线。通过对历史数据的查询和分析，可以对被监测系统的情况有一个比较全面的了解，从而可以判断系统的正常与否，为安全生产提供可信的实时依据和历史依据。

二．    主要应用

1、            电力系统变电所户内外高压开关、变压器、熔断器、互感器的温度与开关状态监测；

2、            煤矿主通风机、提升机、压风机、泵房的各种工作状态参数的集中监测；

3、            煤矿井下人员定位；

4、            钢铁厂温度、位移等工作参数的集中监测

5、            化工厂、造纸厂等各类液体参数的集中监测；

6、            大型机电设备运行状态参数的集中监测；

7、            热电厂供热参数的集中监测系统；

8、            大型医院的病房无线呼叫系统；

9、            其他需要集中实时参数监测的场合。

三．    系统设计特点

由于无线传感器网络的自身特点，目前大多数的无线传感器网络所采集的参数都比较单一。这种设计一方面是从降低无线传感器终端的设计成本来考虑，另一方面是从降低无线传感器终端的能量消耗来考虑。而这两个方面在无线传感器网络系统中都十分重要的。但为达到安全监测的目的，应用于安全监控方面的无线传感器网络，只采集一个单一的过程参数，在有些时候显然是不可取的。

在本设计方案中，为进一步提升无线传感器网络系统的性能，主要有如下

几个特点：

1、低功耗

   为便于安装，无线传感器终端采用电池供电方式，因此无线传感器终端的低功耗设计尤其重要。本无线传感器终端按照你每分钟采集一个数据计算，一节AA锂电池可以工作5年以上。

2、无线终端具有电池容量（电压）实时监测功能

作为无线传感器数据终端的节点通常是工作于电池供电状态，电池的容量相当于终端的功耗而言通常又是非常有限的，而在本系统中，无线传感器数据终端又必须是24小时连续不断地工作。因此，实时监测供电电池的容量状态对无线传感器终端保持良好的工作状态也是非常必要的。通过对电池和电压的了解，管理人员可以随时根据电池容量状态了解各个无线传感器数据终端工作状态，一旦发现电池容量不足可及时更换电池，以保证无线传感器数据终端的正常连续工作。另一方面，电池的容量不足，很可能导致无线传感器给出错误的监测数据或信息，当有了电池容量（电压）监测参数以后，就可以避免和剔除由于电池原因提供虚假数据信息的可能性。

3、系统采用具有动态时隙定时触发唤醒突发模式工作

在无线传感器网络系统方面，基于该系统的无线传感器终端节点在局部比较密集，为使无线网络具有很好的稳健性和安全鲁棒性，本系统在无线网络设计上采用了具有动态时隙定时触发唤醒突发模式。

4、可以根据系统大小实现不同的组态方式

由于工业监测系统的不同，被监测系统的参数数量也不同。在无线传感器数量上，本无线传感器网络可以实现几个到几千个无线传感器的组态结构。在传输距离上可以实现几米到几千米的数据传输。在传输结构上可以实现无线传感器终端——中继器——现场数据采集器——网路数据采集器的不同组合。可以满足各种工业现场数据采集的要求。

四、方案设计

       根据工业现场过程参数的特点，无线传感器网络可以采用单网工作方式，也可以采用多个无线传感器网络构成。

1、无线传感器终端WSN

无线传感器终端（WSN）主要完成对工业现场参数的测量，同时也对电池电压参数进行监测。然后对监测的数据信息通过无线网络发送到无线中继器中，并能够接受无线中继器转发的命令信息。

2、无线中继器WSR

无线中继器（WSR）的主要作用是完成无线传感器信息的空间双向传输。当源信息节点到目的信息节点的距离超过无线网络的传播距离时，就需要在源信息节点与目的信息节点之间增加一定数量的中继器，以便与无线信息的空中传递。由于无线中继器的数据传输量较大，基于工作分工的考虑，为实时接收无线传感器的所有信息，无线中继器需要连续工作，因此无线中继器的耗电较无线传感器终端要大的多，通常可以用市电和太阳能供电

3、无线数据采集器WSA

    无线数据采集器（WSA）完成对整个无线传感器网络的拓扑结构安排、无线终端和中继器地址的确认分配和信道划分、无线传感器的数据的终采集、并将数据信息传入上位监控计算机。在每个子网络中具有一个的子无线数据采集器。主无线数据采集器位于子无线数据采集器和监控计算机之间，是无线和有线地接口，而子无线数据采集器位于主无线位移采集器与数据中继器之间，是无线和无线的接口。

    4、监控计算机IPC

根据环境要求，监控计算机可以选用PC或工业计算机IPC。监控计算机的作用主要是对整个系统的数据信息进行存储、记录、处理、分析、报警输出、显示、查询等。微型计算机也是整个监测系统的目的终端。

5、软件SF

计算机监控+软件可实时显示文本数据、各种曲线、报警信息和系统状态等。

可显示的趋势曲线主要有被测参数曲线和电池电压（或容量）曲线以及电池的寿命预测等。文本信息可以根据要求生成所需要的统计报表，可以根据用户设置提供温度、电压的预警信息，以提示管理人员对系统进行进一步的检查或维护。

五、主要的参数

无线频率：ISM_433MHz（无需申请频率）    终端电池寿命：5年（理论值）

无线通信距离：无阻挡400米（可延长）      中继器中继能力：85个/每个中继器

位移测量范围：0-100mm（可修改）          中继器的数量：每子系统4-5个中继器

温度测量范围：0-400℃（可修改）           子系统数量：每系统3-4个子系统

测量终端数量：几十到几千个（基本参数）    每台监控计算机可以支持2-3个监测系统