原创 采用ZigBee PRO自己动手设计的工业用无线传感器网络

一、 无线传感器网络是工业自动化的新热点

 

 

        无线传感器网络的出现 引起了全世界范围的广泛关注，被称为二十一世纪最具影响的技术之一。改变世界的10大新技术之一。全球未来的四大高技术产业之一。而无线传感器网络技术很快也将进入工业自动化和工业测控领域，大多数工业仪表和自动化产品都将很快嵌入无线传输功能，完成从有线到无线过渡。

 

 

         图1是一个典型的工业用无线传感器网络示意图，核心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）。

 

 

 

 

 

图1 典型的工业用无线传感器网络

 

 

        由于市场巨大，许多在工业自动化领域的老牌劲旅，如GE、Honeywell等，都推出了各种工业无线传感器网络产品和系统，国内也有不少研究机构和大型公司在进行相关研究，但是，涉及无线传感器网络的技术都是高度保密的东西，我们这些普通的工程师们，很难了解其中的细节和有机会参与任何设计工作。

 

 

         那么我们作为从事自动化和工业控制的普通工程师们，能否有机会自己动手，来设计适合自己应用需要的工业用无线传感器网络产品？来开发我们自己需要的无线工业自动化项目？

 

 

         无线SoC技术的发展，将使我们的梦想，将变为现实，目前应该是一个明显的转折点和交汇点。

 

 

         回答的肯定的：我们完全可能自己动手，设计适合自己应用特点的工业用无线传感器网络。

 

 

二、选择合适的微控制器和开发平台

 

 

        工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会干扰无线信号的正确接收，同时，工业环境强烈的电磁干扰，也对使用在工业无线传感器网络的核心微处理器提出了新的挑战。我们自己动手设计在这样环境中运行的工业网络系统，首先需要选择合适的微处理器和高频电路。

 

 

        图2是一个典型的工业无线传感器网络节点硬件结构示意图。

 

 

 

 

 

 

图2   工业无线传感器网络节点示意图

 

 

       目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新无线单片机解决方案：MC13224, CC2530, MSP430F5437+CC2520， 都是很好的SoC 微控制器解决方案（见表1） ，这些方案的特点是，高度集成化设计，微处理器和无线收发部分在同一芯片内部，需要电路板面积小于2平方厘米，外围只小于很少零件，就有很强抗干扰能力。工业无线传感器网络的网关，路由器和传感器节点，都可以使用同一微处理器来设计。

 

 

主要参数	MC13224无线单片机	CC2530无线单片机	CC2520+MSP430F5437
MCU结构	单芯片，ARM7内核，32位MCU	单芯片8051内核     8位MCU	两片16位MCU
无线高频前端	IEEE802.15.4	IEEE802.15.4	IEEE802.15.4
无线网络协议	ZigBee PRO     开源和免费	ZigBee PRO     开源和免费	ZigBee PRO     开源和免费
无线连接链路	>100 DBM	>100 DBM	>100 DBM
内置闪存	128K	256K	256K
低功耗时电池寿命	10年	5年	5年
芯片大量采购价格	每片4美元	每片3美元	每套7美元
软件开发平台	IAR EWARM	IAR EW8051	IAR EW430
硬件开发系统	ARMRF-MC13224-PK	C51RF-CC2530-PK	MSPRF-430F5437
在线仿真器	ARM	WXL-CC2530	TI  430
网络测试工具	网络分析仪	网络分析仪	网络分析仪

 

           采用上述方案，在保证系统可靠性的前提下，最大的特点是经济和方便，因为无线单片机芯片价格很低，甚至已经低于许多类型普通单片机，设计者可以放手进行设计和调试，不必担心芯片损坏等。另外目前国内嵌入式设计的知识已经相当普及，设计工业用无线传感器网络网关，路由器，节点和设计我们熟悉的普通单片机系统，核心技术没有什么不同，而且IAR编译，调试系统是目前世界是最强大的商业化嵌入式C语言软件设计工具，配合成都无线龙通讯提供的无线单片机开发平台，样板工程设计，JTAG在线仿真器，你可以精确的将故障定位到每一行指令，将无线组网和通讯，实现慢动作式的重放，并随时捕获空中无线数据包装。整个无线通讯软件硬件设计的过程，在这些高级调试开发工具的帮助下，完全透明化，可控制化，使你像开发你的其它单片机系统一样，快捷容易的完成设计任务。

三、ZigBee PRO 符合工业无线网络设计要求

 

 

      与面向家庭的无线网络技术（ZigBee2004到ZigBee 2006属于这类面向家庭的技术）不同，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 Spread Spectrum，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,空闲信道评估,收发数据等）具有很强抗干扰能力，而且MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使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最新增加的频率捷变(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。采用表1无线单片机，都可以支持ZigBee PRO无线网络协议栈。

 

 

 

■ 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别，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ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了网络路由效率。在通过多跳接力的方式进行传输的延迟大幅度降低，完全能够保证端到端通信实时性。

 

 

■ 低能耗：用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器网络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。由于表一中列出的新型无线单片机和ZIGBEEPRO 无线前端的一系列革命性的新设计，，节点的电池寿命应达到3至10年。能够实现使用最少的能源的工业用无线传感器网络。

 

 

■ 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高安全模式(High Security Mode)，就是当节点加入网路时，信托中心(Trust Center, TC) 会先配一把万能金钥(Master Key)给新加入的节点，然后，新加入的节点再用这把万能金钥透过SKKE 的流程，与网路中的任何节点建立连结金钥(Link Key)，最后再利用连结金钥加密后产生一把网路共用的网路金钥，网路金钥(NWK Key)放在应用层有效载荷中传送给对方，然后再通过网路传输加密资料。ZigBee PRO安全设计，完全能够实现工业无线网络对安全通讯主要要求。

 

 

       而且如表1所示的新的16位，32位无线单片机具有强大的数据处理能力，已经完全具有能力实现复杂的安全算法的能力，对应工业无线传感器网络提出挑战。

 

 

■ 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连和互操作的能力。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也是全球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，完全可以设计出图2所示结构那样，满足自己特别应用要求的工业无线传感器网络项目和产品。

 

 

                   

 

 

  四、有线到无线，我们笑迎新的技术挑战

 

 

      通过上面的简单介绍，我们看到任何工程师， 都有机会来进入这个全新的技术领域，入门并不难，精通也办得到。这是因为我们生活在互联网时代，也是因为国内在这个领域已经有像成都无线龙通讯这样的一批先行者，他们出版了相关中文书籍（北航出版《无线单片机丛书》十本，最新一册是《ZigBee 2007PRO入门与实战》），提供相关C51RF、 MSPRF、 ARMRF 系列低价格无线单片机开发工具，同时对ZigBee PRO这样的协议栈的应用提供相关技术支持，提供高频模块等服务，这样，就使我们入门进行设计开发时，更加方便容易，另外，TI/Freescale公司，提供了廉价的无线单片机芯片，高性能的免费无线网络协议栈。这些，都为我们投入这个全线的技术领域――相对复杂的工业自动传感器网络和无线工业自动控制领域，打开了方便之门。

 

 

         本文重点介绍的是工业无线传感器网络部分的实现，其实，在已经实现工业无线传感器网络和节点间双向通讯的前提下，实现对工业设备的无线控制控制，包括继电器，I/O, 开关控制，电机控制，都已经是很容易实现的，水到渠成的事情，只需要在软件和硬件上进行一些小的扩展就可以了。

 

 

       从有线到无线，从传统有线工业自动化系统，到新的工业无线传感器网络系统，我们面对全新的挑战，让我们现在就出发，在这些设计开发的挑战中，去完成我们技术更新和升华。