論工業(yè)局域網(wǎng)前景

王永貴

【摘要】本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而聯(lián)想到工業(yè)局域網(wǎng)的控制，首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義以及新大陸生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)裝置的幾大應(yīng)用。這幾個(gè)應(yīng)用都運(yùn)用到了無線網(wǎng)控制，從而聯(lián)想到工業(yè)局域網(wǎng)的控制也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)來搭建，并介紹工業(yè)局域網(wǎng)的前景。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定義是：通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

其包括三種應(yīng)用：一是智能商業(yè)應(yīng)用；二是智能醫(yī)療應(yīng)用；三是智能環(huán)境應(yīng)用，不管是哪一種應(yīng)用，它都離不開局域網(wǎng)的架構(gòu)。下面我簡(jiǎn)單的介紹下其中的兩種應(yīng)用。

一、智能商業(yè)應(yīng)用

其包括網(wǎng)絡(luò)攝像頭、LED顯示屏、手持PDA、超高頻RFID等，網(wǎng)絡(luò)攝像頭和手持PDA是通過無線Wi-Fi通信。那么Wi-Fi以及RFID是否可以應(yīng)用與工業(yè)控制呢？答案是肯定的。

1.Wi-Fi是一種無線通信協(xié)議與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。Wi-Fi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右。而且它是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11Mb/s的速度接入Web。但實(shí)際上，如果有多個(gè)用戶同時(shí)通過一個(gè)點(diǎn)接入，帶寬被多個(gè)用戶分享，Wi-Fi的連接速度一般將只有幾百kb/s的信號(hào)不受墻壁阻隔，但在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。

2.Wi-Fi未來最具潛力的應(yīng)用將主要在家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物或場(chǎng)所。目前這一技術(shù)的用戶主要來自機(jī)場(chǎng)、酒店、商場(chǎng)等公共熱點(diǎn)場(chǎng)所。Wi-Fi技術(shù)可與基于XML或Java的Web服務(wù)融合起來，大幅度減少企業(yè)的成本。例如企業(yè)選擇在每一層樓或每一個(gè)部門配備802.11b的接入點(diǎn)，而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來，可以節(jié)省大量鋪設(shè)電纜所需花費(fèi)的資金。

3.射頻識(shí)別（RFID）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。無線電的信號(hào)是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品。某些標(biāo)簽在識(shí)別時(shí)從識(shí)別器發(fā)出的電磁場(chǎng)中就可以得到能量，并不需要電池；也有標(biāo)簽本身擁有電源，并可以主動(dòng)發(fā)出無線電波（調(diào)成無線電頻率的電磁場(chǎng)）。標(biāo)簽包含了電子存儲(chǔ)的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識(shí)別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

二、智能環(huán)境應(yīng)用

其包括：溫濕、光照、火焰、人體、液位等類傳感器，還包括電扇、警報(bào)燈、霧化器、加熱器等，這些器件通過數(shù)字量采集器和模擬量采集器利用RS485與控制箱進(jìn)行通信。其中電扇是通過ZigBee技術(shù)和控制箱進(jìn)行通信的。這里我就詳細(xì)的說說zigbee技術(shù)。

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)：

（1）低功耗：

由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

（2）成本低：

ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5-2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms， 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：

一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

（5）可靠：

采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

（6）安全：

ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

由此可見zigbee技術(shù)完全是可以應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的。因此，筆者認(rèn)為工業(yè)控制局域網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的前景是：無線短程網(wǎng)和無線局域網(wǎng)。為什么無線通信在工業(yè)應(yīng)用特別受到重視？ 因?yàn)樗哂泻芏嗟膬?yōu)勢(shì)。

其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：

（1）極大降低安裝成本、持續(xù)降低運(yùn)行維護(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。

（2）美國(guó)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。

當(dāng)然，目前來說，無線通信還存在著亟待解決的問題。

成本 減少安裝成本、減少運(yùn)行維護(hù)成本、易于安裝和維護(hù)、電源管理（采用電池運(yùn)行）

兼容性和 可擴(kuò)可縮 可互操作性/共用基礎(chǔ)設(shè)施/共存性（與其他射頻設(shè)備共存）

在全世界范圍軍能使用（與使用國(guó)家無關(guān)）

網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蓴U(kuò)可縮

性能 通信可靠（正確傳輸?shù)陌俜直?）、適于閉環(huán)控制、

快速的報(bào)告速率 、 支持現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制

信息安全 網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)格拓?fù)渥越M織（meshing）安全

三、結(jié)束語

無線傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢(shì)無可置疑。有人估計(jì)再過四、五年，大多數(shù)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都將嵌入無線傳輸?shù)墓δ堋o線技術(shù)首先會(huì)用在樓宇自動(dòng)化、自動(dòng)抄表、事故響應(yīng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備資產(chǎn)管理、診斷維護(hù)等。當(dāng)前較適宜應(yīng)用的行業(yè)可能有：物流過程（裝運(yùn)狀態(tài)監(jiān)控）、汽車制造、食品加工、制藥和流程行業(yè)（設(shè)備資產(chǎn)跟蹤、監(jiān)控、管理）等。

參考文獻(xiàn)

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