采用ZIGBEE pro 的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

【專家解說(shuō)】：一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)自動(dòng)化的新熱點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì)最具影響的技術(shù)技術(shù)之一；改變世界的10大新技術(shù)之一；全球未來(lái)的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快也將進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，大多數(shù)工業(yè)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品產(chǎn)品都將很快嵌入無(wú)線傳輸功能，完成從有線到無(wú)線過(guò)渡；圖一是一個(gè)典型的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)（可以使用電池長(zhǎng)期供電、太陽(yáng)能電池供電，或風(fēng)能、機(jī)械機(jī)械振動(dòng)發(fā)電等），網(wǎng)絡(luò)路由器（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由功能）和無(wú)線網(wǎng)關(guān)（將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者傳輸通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)）；








圖一，典型的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)


圖一，典型的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于市場(chǎng)巨大，許多在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也有不少研究機(jī)構(gòu)和大型公司公司在進(jìn)行相關(guān)研究，但是，涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)都是高度保密的東西，我們這些普通的工程師們，很難了解其中的細(xì)節(jié)和有機(jī)會(huì)參與任何設(shè)計(jì)工作；那么，我們作為從事自動(dòng)化和工業(yè)控制的普通工程師們，能否有機(jī)會(huì)自己動(dòng)手，來(lái)設(shè)計(jì)適合自己應(yīng)用需要的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品？來(lái)開(kāi)發(fā)我們自己需要的無(wú)線工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目？無(wú)線SoC技術(shù)的發(fā)展，將使我們的夢(mèng)想，將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，目前應(yīng)該是一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和交匯點(diǎn)?；卮鸬目隙ǖ模何覀兺耆赡茏约簞?dòng)手，設(shè)計(jì)適合自己應(yīng)用特點(diǎn)的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；二、選擇合適的微控制器和開(kāi)發(fā)平臺(tái)二、選擇合適的微控制器和開(kāi)發(fā)平臺(tái)工業(yè)環(huán)境中的射頻通信條件較為惡劣，廠房中遍布的各種大型器械、金屬管道等對(duì)信號(hào)的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達(dá)、器械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲，都會(huì)干擾無(wú)線信號(hào)的正確接收，同時(shí)，工業(yè)環(huán)境強(qiáng)烈的電磁干擾，也對(duì)使用在工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心微處理器提出了新的挑戰(zhàn)。我們自己動(dòng)手設(shè)計(jì)在這樣環(huán)境中運(yùn)行的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，首先需要選擇合適的微處理器和高頻電路；圖二是一個(gè)典型的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖









圖二工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖



圖二工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新無(wú)線單片機(jī)解決方案：MC13224,CC2530,MSP430F5437+CC2520，都是很好的SoC微控制器解決方案，（見(jiàn)表一）這些方案的特點(diǎn)是，高度集成化設(shè)計(jì)，微處理器和無(wú)線收發(fā)部分在同一芯片內(nèi)部，需要電路板面積小于2平方厘米，外圍只小于很少零件，就有很強(qiáng)抗干擾能力。工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)，都可以使用同一微處理器來(lái)設(shè)計(jì)；







主要參數(shù)


MC13224
無(wú)線單片機(jī)


CC2530
無(wú)線單片機(jī)


CC2520
+MSP430F5437




MCU結(jié)構(gòu)


單芯片，ARM7內(nèi)核，32位MCU


單芯片8051內(nèi)核
8位MCU


兩片16位MCU




無(wú)線高頻前端


IEEE802.15.4


IEEE802.15.4


IEEE802.15.4




無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議


ZIGBEEpro
開(kāi)源和免費(fèi)


ZIGBEEpro
開(kāi)源和免費(fèi)


ZIGBEEpro
開(kāi)源和免費(fèi)




無(wú)線連接鏈路


>100DBM


>100DBM


>100DBM




內(nèi)置閃存


128K


256K


256K




低功耗時(shí)電池壽命


10年


5年


5年




芯片大量采購(gòu)價(jià)格


每片4美元


每片3美元


每套7美元




軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)


IAREWARM


IAREW8051


IAREW430




硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)


ARMRF-MC13224PK


C51RF-CC2530PK


MSPRF-430F5437




在線仿真器


ARM


WXL-CC2530


TI430




網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具


網(wǎng)絡(luò)分析儀


網(wǎng)絡(luò)分析儀


網(wǎng)絡(luò)分析儀







主要參數(shù)MC13224無(wú)線單片機(jī)CC2530無(wú)線單片機(jī)CC2520+MSP430F5437MCU結(jié)構(gòu)單芯片，ARM7內(nèi)核，32位MCU單芯片8051內(nèi)核8位MCU兩片16位MCU無(wú)線高頻前端IEEE802.15.4IEEE802.15.4IEEE802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZIGBEEpro開(kāi)源和免費(fèi)ZIGBEEpro開(kāi)源和免費(fèi)ZIGBEEpro開(kāi)源和免費(fèi)無(wú)線連接鏈路>100DBM>100DBM>100DBM內(nèi)置閃存128K256K256K低功耗時(shí)電池壽命10年5年5年芯片大量采購(gòu)價(jià)格每片4美元每片3美元每套7美元軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)IAREWARMIAREW8051IAREW430硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)ARMRF-MC13224PKC51RF-CC2530PKMSPRF-430F5437在線仿真器ARMWXL-CC2530TI430網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工具網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀采用上述方案，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下，最大的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)和方便，因?yàn)闊o(wú)線單片機(jī)芯片價(jià)格很低，甚至已經(jīng)低于許多類型普通單片機(jī)，設(shè)計(jì)者可以放手進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，不必?fù)?dān)心芯片損壞等；另外目前國(guó)內(nèi)嵌入式設(shè)計(jì)的知識(shí)已經(jīng)相當(dāng)普及，設(shè)計(jì)工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，路由器，節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)我們熟悉的普通單片機(jī)系統(tǒng)，核心技術(shù)沒(méi)有什么不同，而且，的IAR編譯，調(diào)試系統(tǒng)是目前世界是最強(qiáng)大的商業(yè)化嵌入式C語(yǔ)言軟件設(shè)計(jì)工具，配合成都無(wú)線龍通訊提供的無(wú)線單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，樣板工程設(shè)計(jì)，JTAG在線仿真器，你可以精確的將故障定位到每一行指令，將無(wú)線組網(wǎng)和通訊，實(shí)現(xiàn)慢動(dòng)作式的重放，并隨時(shí)捕獲空中無(wú)線數(shù)據(jù)包裝；整個(gè)無(wú)線通訊軟件硬件設(shè)計(jì)的的過(guò)程，在這些高級(jí)調(diào)試開(kāi)發(fā)工具的幫助下，完全透明化，可控制化，使你像開(kāi)發(fā)你的其它單片機(jī)系統(tǒng)一樣，快捷容易的完成設(shè)計(jì)任務(wù)；三、ZIGBEEpro符合工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求三、ZIGBEEpro符合工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求與面向家庭的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ZIGBEE2004到ZIGBEE2006屬于這類面向家庭的技術(shù)）不同，面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要滿足以下五個(gè)方面需求，■高可靠性：大部分的工業(yè)控制應(yīng)用要求數(shù)據(jù)的可靠傳輸率要超過(guò)95%。為了實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用無(wú)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)高可靠傳輸面臨以下挑戰(zhàn)，ZIGBEEpro協(xié)議棧采用2.4GHz物理層都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列擴(kuò)頻）技術(shù)（包括數(shù)據(jù)的調(diào)制，激活和休眠射頻收發(fā)器,信道能量檢測(cè),信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示,空閑信道評(píng)估,收發(fā)數(shù)據(jù)等）具有很強(qiáng)抗干擾能力，而且MAC層和應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能，另外MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送之前先監(jiān)聽(tīng)信道，也可以起到避開(kāi)干擾的作用；網(wǎng)絡(luò)層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)可以有多條路徑，路徑的冗余加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，比如受到干擾，或者其中一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，ZIGBEEPRO可以進(jìn)行路由修復(fù)，另選一條合適的路徑來(lái)保持通信。同時(shí)，ZIGBEEPRO最新增加的頻率捷變(frequencyagility)，也大大加強(qiáng)其作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的可靠性，ZigBeepro網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾，比如各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線干擾，無(wú)法正常工作時(shí)，整個(gè)ZIGBEEPRO網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)動(dòng)態(tài)的切換到全部16個(gè)頻道的一個(gè)干凈工作信道上（實(shí)現(xiàn)FHSS跳頻功能）。和其它目前采用DSSS+FHSS的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較，ZIGBEEPRO可靠性和抗干擾性更勝一籌；采用表一的無(wú)線單片機(jī)，都可以支持ZIGBEEPRO的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧；■嚴(yán)格實(shí)時(shí)性：對(duì)于工業(yè)閉環(huán)控制應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應(yīng)低于1.5倍的傳感器采樣時(shí)間。ZIGBEEPRO網(wǎng)絡(luò)針對(duì)工業(yè)通信對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備設(shè)備搜索時(shí)延典型值為毫秒級(jí)別，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了網(wǎng)絡(luò)路由效率；在通過(guò)多跳接力的方式進(jìn)行傳輸?shù)难舆t大幅度降低，完全能夠保證端到端通信實(shí)時(shí)性?！龅湍芎模河糜趯?duì)工業(yè)全流程進(jìn)行泛在感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由于成本的限制和安裝條件限制，通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。由于表一中列出的新型無(wú)線單片機(jī)和ZIGBEEPRO無(wú)線前端的一系列革命性的新設(shè)計(jì)，，節(jié)點(diǎn)的電池壽命應(yīng)達(dá)到3至10年。能夠?qū)崿F(xiàn)使用最少的能源的工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；■安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全問(wèn)題日益突出，一些安全漏洞將給工業(yè)控制應(yīng)用造成巨大的損失。無(wú)線通信由于信道的開(kāi)放特征更容易受到攻擊，其安全保障機(jī)制將更加復(fù)雜；為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)了高安全模式(HighSecurityMode)，就是當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)路時(shí)，信托中心(TrustCenter,TC)會(huì)先配一把萬(wàn)能金鑰(MasterKey)給新加入的節(jié)點(diǎn)，然后，新加入的節(jié)點(diǎn)再用這把萬(wàn)能金鑰透過(guò)SKKE的流程，與網(wǎng)路中的任何節(jié)點(diǎn)建立連結(jié)金鑰(linkKey)，最后再利用連結(jié)金鑰加密后產(chǎn)生一把網(wǎng)路共用的網(wǎng)路金鑰，網(wǎng)路金鑰(NWKKey)放在應(yīng)用層有效載荷中傳送給對(duì)方，然后再通過(guò)網(wǎng)路傳輸加密資料。ZIGBEEPro的安全設(shè)計(jì)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全通訊的主要要求；而且，如表一所示的新的16位，32位無(wú)線單片機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，已經(jīng)完全具有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全算法的能力，對(duì)應(yīng)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的挑戰(zhàn)?！黾嫒菪裕簽榱吮Ｗo(hù)用戶的原有投資，基于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有與工廠原有的有線控制系統(tǒng)互連和互操作的能力。采用ZIGBEEPRO設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)和目前工業(yè)以太網(wǎng)，CAN總線，各種工業(yè)控制總線的無(wú)縫連接，和互聯(lián)網(wǎng)的IP通訊。ZIGBEE也是全球無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要標(biāo)準(zhǔn)，是具有很好兼容性的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件；綜上所述，以傳感和控制為目標(biāo)的ZIGBEEPRO無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有加強(qiáng)版商業(yè)級(jí)和工業(yè)的協(xié)議棧，完全可以滿足上述五個(gè)方面的要求，使用ZIGBEEPRO協(xié)議棧，完全可以設(shè)計(jì)出圖二所示結(jié)構(gòu)那樣，滿足自己特別應(yīng)用要求的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目和產(chǎn)品；四，有線到無(wú)線，我們笑迎新的技術(shù)挑戰(zhàn)四，有線到無(wú)線，我們笑迎新的技術(shù)挑戰(zhàn)通過(guò)上面的簡(jiǎn)單介紹，我們看到任何工程師，都有機(jī)會(huì)來(lái)進(jìn)入這個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，入門并不難，精通也辦得到；這是因?yàn)槲覀兩钤诨ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，也是因?yàn)閲?guó)內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有像深圳無(wú)線龍科技這樣的一批先行者，他們出版了相關(guān)中文書(shū)籍（北航出版《無(wú)線單片機(jī)叢書(shū)》十本，最新一冊(cè)是《ZIGBEE2007PRO入門與實(shí)戰(zhàn)》），提供相關(guān)C51RF,MSPRF，ARMRF系列低價(jià)格無(wú)線單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)，對(duì)ZIGBEEPRO這樣的協(xié)議棧的應(yīng)用提供相關(guān)技術(shù)支持，提供高頻模塊等服務(wù)，這樣，就使我們?nèi)腴T進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，更加方便容易，另外，TI，F(xiàn)reescale公司，提供了廉價(jià)的無(wú)線單片機(jī)芯片，高性能的免費(fèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧；這些，都為我們投入這個(gè)全線的技術(shù)領(lǐng)域——相對(duì)復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，打開(kāi)了方便之門；本文重點(diǎn)介紹的是工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)間雙向通訊的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的無(wú)線控制控制，包括繼電器，I/O,開(kāi)關(guān)控制，電機(jī)控制，都已經(jīng)是很容易實(shí)現(xiàn)的，水到渠成的事情，只需要在軟件和硬件上進(jìn)行一些小的擴(kuò)展就可以了；從有線到無(wú)線，從傳統(tǒng)有線工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，到新的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，我們面對(duì)全新的挑戰(zhàn)，讓我們現(xiàn)在就出發(fā)，在這些設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn)中，去完成我們技術(shù)更新和升華；