淺談無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

林永周

【摘要】 遠(yuǎn)程通信與傳感器是目前無線技術(shù)領(lǐng)域中的重要研究對(duì)象，它們的發(fā)展加速了工業(yè)自動(dòng)化的前進(jìn)腳步。文中簡(jiǎn)要介紹了Zigbee和UWB這兩種典型的無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的相關(guān)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 無線技術(shù) 工業(yè)自動(dòng)化 通信 Zigbee UWB超寬帶

無線技術(shù)在目前的工業(yè)自動(dòng)化及通信市場(chǎng)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，這主要得益于它的幾大優(yōu)點(diǎn)。例如相比較于有線通信更加節(jié)約成本而且構(gòu)建方便，時(shí)刻都能為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用帶來合理的應(yīng)用方案；其次就是追加節(jié)點(diǎn)，擁有強(qiáng)大的擴(kuò)展性。即在已有的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加了更多WAP無線接入點(diǎn)，對(duì)軟件設(shè)置修改并達(dá)到擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的目的。而基于無線技術(shù)的安全協(xié)議由于擁有獨(dú)特加密算法和擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，所以它既不容易被竊聽，也具有更穩(wěn)定的抗干擾性，這在惡劣的工業(yè)環(huán)境領(lǐng)域中就能夠發(fā)揮極大的作用。

一、Zigbee無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用

Zigbee具有低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本和近距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，是典型的雙向無線通信技術(shù)。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，它常被應(yīng)用于自動(dòng)控制和無線控制環(huán)境中，能夠滿足某些小型工業(yè)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)及控制需求。從技術(shù)構(gòu)造角度來看，Zigbee的協(xié)議主要包括了網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層、應(yīng)用框架層等等。它基于IEEE802物理層及數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，在實(shí)際應(yīng)用中擁有以下幾大特點(diǎn)。

1、Zigbee的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)。首先一點(diǎn)它的功耗相當(dāng)?shù)停绻麑⑵湔{(diào)節(jié)到低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)5號(hào)電池就能為它提供6個(gè)月的電量維持。這一優(yōu)勢(shì)是目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的無線技術(shù)所沒有的。第二它的數(shù)據(jù)傳輸速率和成本都很低。一般情況下它的傳輸速率只有10～250kb/s，是典型的低傳輸應(yīng)用技術(shù)。由于擁有低傳輸速率，因此它的協(xié)議也相對(duì)簡(jiǎn)單，這也幫助企業(yè)極大程度降低了工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)一個(gè)Zigbee芯片的單體價(jià)格只有3～5美元。第三它的時(shí)延性比較短，這主要體現(xiàn)在它的通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活時(shí)延環(huán)節(jié)。一般來說，Zigebee設(shè)備在搜索時(shí)間時(shí)的典型時(shí)延值都要在30ms以上，而設(shè)備激活時(shí)間則為15ms，活動(dòng)設(shè)備接入時(shí)間也有15s左右。最后它具有高度的安全可靠性，Zigbee為工業(yè)自動(dòng)化體系提供了較為完整的數(shù)據(jù)檢查和鑒權(quán)功能，這完全得益于它所采用的AES-128加密算法和碰撞避免策略。這兩大功能一方面確保了工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的安全完整性，另一方面也避免了由于固定寬帶通信業(yè)務(wù)預(yù)留時(shí)隙所造成的發(fā)送數(shù)據(jù)沖突情況出現(xiàn)。

2、具體應(yīng)用。就目前我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀來看，Zigbee技術(shù)在工控傳感器領(lǐng)域比較常見，例如自動(dòng)抄表系統(tǒng)?？紤]到目前已有的GPRS無線抄表系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)成本方面花費(fèi)過高，而Zigbee網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)由電力部門自行建網(wǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)，無需繳納任何額外費(fèi)用，再加之它的超大容量和廣覆蓋能力，所以目前許多企業(yè)在工業(yè)自動(dòng)化這一層面都會(huì)采用Zigbee技術(shù)來對(duì)其工業(yè)環(huán)境溫濕度、氣體、污水等等進(jìn)行無線監(jiān)測(cè)。再一方面，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中還會(huì)基于Zigbee的網(wǎng)絡(luò)功能來采集數(shù)據(jù)并傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，借助微處理器、GPRS模塊與Zigbee共同構(gòu)成匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)諸如UDP/TCP等自動(dòng)化協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用過程中，用戶端利用GPRS與PC服務(wù)器作為基礎(chǔ)模塊構(gòu)建硬件平臺(tái)、軟件數(shù)據(jù)庫，對(duì)所收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域全網(wǎng)絡(luò)的管理與任務(wù)執(zhí)行[1]。

二、UWB超寬帶無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用

上文所述的Zigbee擁有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是它的技術(shù)特點(diǎn)也決定了它的局限性，那就是只能在短距離低速率的場(chǎng)合中應(yīng)用。然而在實(shí)際工業(yè)監(jiān)測(cè)過程中，自動(dòng)化操作必須要求擁有高素質(zhì)影像配合數(shù)據(jù)分析處理，這顯然是需要更快捷高速的數(shù)據(jù)傳輸效率的。因此，UWB超寬帶無線技術(shù)的存在就彌補(bǔ)了這一點(diǎn)，滿足了工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)一步應(yīng)用需求。

UWB（Ultra Wideband）技術(shù)占空比較低，它通過沖擊脈沖來作為信息載體實(shí)現(xiàn)無載波通信技術(shù)。具體來說，它依賴于脈沖串來傳遞信息，并將信息調(diào)制到離散脈沖信號(hào)上，直接通過窄脈沖發(fā)射信號(hào)來實(shí)現(xiàn)通信功能，是典型的無載波傳輸技術(shù)。在工業(yè)圖像及聲音監(jiān)控領(lǐng)域，UWB技術(shù)被得以廣泛應(yīng)用。以一張分辨率為640x480、色彩為24位的實(shí)時(shí)視像為例，據(jù)檢測(cè)它的圖像數(shù)據(jù)量高達(dá)7.32Mb/幀，數(shù)據(jù)傳輸率也達(dá)到190Mb/s。如此之高的數(shù)據(jù)率傳輸顯然是大部分無線技術(shù)所無法做到的。所以在實(shí)際應(yīng)用過程中就在工業(yè)設(shè)備的攝像頭處增加一處微處理器，對(duì)所攝錄的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的壓縮處理，進(jìn)而將圖像數(shù)據(jù)率降低到幾十Mb/s左右。此時(shí)運(yùn)用到UWB技術(shù)，遠(yuǎn)程傳輸圖像數(shù)據(jù)到UWB中心控制室，再配合遠(yuǎn)程監(jiān)控為中心控制室與遠(yuǎn)程主機(jī)端形成無線網(wǎng)絡(luò)連接，最終促成無線通信體系共同完成工業(yè)圖像及聲音監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取工作[2]。

總結(jié)：無論是Zigbee還是UWB，它們都是相對(duì)而言功耗更低、效率更高的短距離無線通信方式。正是有了它們的存在，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的無線技術(shù)應(yīng)用才越來越廣泛，生產(chǎn)效率才越來越高，這是許多其它無線通信技術(shù)所無法比擬的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 蘭音波.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].南京郵電大學(xué)，2015.

[2] 崔旭，郭殿鋒.工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無線技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究，2014，（10）.