工业环境下无线短程网技术应用的发展和实践课件

工业环境下无线短程网技术工业环境下无线短程网技术应用的发展和实践应用的发展和实践 上海工业自动化仪表研究所上海工业自动化仪表研究所彭彭 瑜瑜2007年年6月月短程无线通信技术的发展短程无线通信技术的发展l 短距离无线通信系统是指依靠无线技术可在一二百米的有效短距离无线通信系统是指依靠无线技术可在一二百米的有效范围内实现数据传输的解决方案。范围内实现数据传输的解决方案。l 人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络来实现低价位、人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络来实现低价位、低功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和商业低功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和商业用户提供各种服务。目前，短距离的无线应用在无线需求市用户提供各种服务。目前，短距离的无线应用在无线需求市场上快速增长，例如场上快速增长，例如RF识别、无线局域网识别、无线局域网(WLAN)、个人无线、个人无线连接网络连接网络(WPAN)等。等。l 目前几种主流的短距离无线通信有：目前几种主流的短距离无线通信有：高速高速WPAN技术技术 UWB高速无线通信技术高速无线通信技术（包括（包括MB-OFDM、DS-UWB、WirelessUSB）低速低速WPAN技术（包括技术（包括IEEE802.15.4/ZigBee和蓝牙等）和蓝牙等）l 今天我们主要讨论的是基于今天我们主要讨论的是基于IEEE802.15.4的低成本、低数据的低成本、低数据率的率的WPAN技术。技术。低成本、低功耗和对等通信低成本、低功耗和对等通信无线短程网的重要特征无线短程网的重要特征 短距离无线通信技术的三个重要特征和优势是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势是：低成本、低功耗和对等通信低成本、低功耗和对等通信n 低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的低成本是短距离无线通信的客观要求，因为各种通信终端的产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成产销量都很大，要提供终端间的直通能力，没有足够低的成本很难推广。本很难推广。n 低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在毫瓦量级。碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在毫瓦量级。n 对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此接口设计和高层协议都相对比较简单，无线进行中转，因此接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式如载波侦听。资源的管理通常采用竞争的方式如载波侦听。欧洲无线工控应用项目欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图的开发路线图欧洲无线工控应用项目欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图的开发路线图在欧洲，从在欧洲，从2004年年10月至月至2005年年4月，集中了月，集中了25个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为RUNES、在未来、在未来10年内无线技术在工业控制和年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。自动化发展应用的路线图。背景：无线网络为工业系统安装和运行的高度灵背景：无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性及成本优势创造了机会，及时而牢固地抓住活性及成本优势创造了机会，及时而牢固地抓住不放。不放。目标：到目标：到2008年将安装成本降低年将安装成本降低50%，运行成本，运行成本降低降低30%；到；到2014年将安装成本降低年将安装成本降低80%，运行，运行成本降低成本降低50%。欧洲无线工控应用项目欧洲无线工控应用项目RUNES的开发路线图的开发路线图发展无线应用必须考虑的原则：发展无线应用必须考虑的原则：q在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必然的选择然的选择q无线通信应与传统有线通信系统有互操作性无线通信应与传统有线通信系统有互操作性q开发可再配置（开发可再配置（reconfigurable）的设备）的设备q尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池）尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池）q尽可能采用开放的频段（如世界通用的尽可能采用开放的频段（如世界通用的ISM频段频段2.4GMHz）Emerson的三级无线网络的三级无线网络u Emerson Process Management 在在2006年第四季度宣布，在历经三年第四季度宣布，在历经三年对多种无线传输技术的评估和工业应用实验后，正式决定采用年对多种无线传输技术的评估和工业应用实验后，正式决定采用Dust Networks的网格拓扑时间同步协议的网格拓扑时间同步协议TSMP技术，作为其工厂技术，作为其工厂智能无线现场网络和解决方案。智能无线现场网络和解决方案。u 这一创新的自组织无线网络技术的采用，使它的著名品牌这一创新的自组织无线网络技术的采用，使它的著名品牌Rosemount 测量变送器和测量变送器和ATMTM 智能设备管理程序和预测维护套智能设备管理程序和预测维护套件实现了无线通信的能力，并完全与件实现了无线通信的能力，并完全与DeltaVTM 和和Ovation 的的DCS 产品系列或其它传统主机构成无缝连接。产品系列或其它传统主机构成无缝连接。图示出该公司的三级无线网图示出该公司的三级无线网络架构：络架构：现场网络（现场网络（IEEE 802.15.4 和无线和无线HART）控制网络（控制网络（IEEE 802.11和和IEEE 802.16，即，即WiMax）工厂局域网（工厂局域网（IEEE 802.11和和IEEE 802.16）Mesh网络拓扑的高传输可靠性网络拓扑的高传输可靠性q Emerson的智能无线解决方案是世界上第一个将自组织网络技的智能无线解决方案是世界上第一个将自组织网络技术用于工业应用的示范工程。术用于工业应用的示范工程。过去三年中，在北美和欧洲几过去三年中，在北美和欧洲几个现场试验的结果证实，其数据传输的可靠性在个现场试验的结果证实，其数据传输的可靠性在99%以上，以上，而安装成本比同等的有线方案要低而安装成本比同等的有线方案要低90%。q 由图中的例子我们便可明白，为什么由图中的例子我们便可明白，为什么自组织无线网络的可靠性大于自组织无线网络的可靠性大于99%：若通道若通道AB的传输可靠性为的传输可靠性为65%、通道、通道AC的传输可靠性为的传输可靠性为40%、通道、通道AD的传输可的传输可靠性为靠性为85%，尽管全都低于，尽管全都低于99，但是，但是在任何需要的时刻，由在任何需要的时刻，由A发至网关的数发至网关的数据通道会以大于据通道会以大于99%的概率加以传输。的概率加以传输。网格拓扑时间同步协议网格拓扑时间同步协议TSMP（1/2）网格拓扑时间同步协议网格拓扑时间同步协议TSMP解决了网络所有的构成节点共享解决了网络所有的构成节点共享发送、接收和休眠的精确时间同步。在对电池功耗有严格要求发送、接收和休眠的精确时间同步。在对电池功耗有严格要求的场合（如无线传感器网络的场合（如无线传感器网络WSN），这是十分关键的。只有全），这是十分关键的。只有全部节点的同步唤醒和同步休眠，才能实现电池的长寿命。部节点的同步唤醒和同步休眠，才能实现电池的长寿命。TSMP与其它与其它WSN所用的信标策略不同，它考虑到信标策略会所用的信标策略不同，它考虑到信标策略会要求侦听窗口长时间投入工作，从而消耗电池的功率，所以不要求侦听窗口长时间投入工作，从而消耗电池的功率，所以不在每个数据帧的起始处设一同步信标，代之以在每个数据帧的起始处设一同步信标，代之以TSMP节点保持节点保持一个精确的时间读出，还要通过与相邻节点交换补偿信息来保一个精确的时间读出，还要通过与相邻节点交换补偿信息来保证同步。这个补偿值与标准的证同步。这个补偿值与标准的ACK确认消息一起传送，因此没确认消息一起传送，因此没有额外的时间和功率开销。有额外的时间和功率开销。这一共同的时间读出信号，保证网络具备了许这一共同的时间读出信号，保证网络具备了许多优点：多优点：带宽带宽可预先配置，确保了极可靠的发送和自干扰为零；可预先配置，确保了极可靠的发送和自干扰为零；发送节点发送节点在每次发送时可有效地改变频率，而接收节点可保持锁步；在每次发送时可有效地改变频率，而接收节点可保持锁步；以可预见和有条理的方法来调节带宽的增减，以适应数据流的以可预见和有条理的方法来调节带宽的增减，以适应数据流的突增或突减。突增或突减。网格拓扑时间同步协议网格拓扑时间同步协议TSMP（2/2）n TSMPTSMP节点只有节点只有3 3种工作状态：种工作状态：向相邻节点发送消息；向相邻节点发送消息；侦听处在发送状态的相邻节点；侦听处在发送状态的相邻节点；与嵌入的传感器或处理器构成接口。与嵌入的传感器或处理器构成接口。n 对其它的所有时间而言，该节点处于休眠状态，功耗极对其它的所有时间而言，该节点处于休眠状态，功耗极低。低。n 无线设备的功率有无线设备的功率有95%95%是在发射和接收时耗掉的。是在发射和接收时耗掉的。TSMPTSMP毫毫无例外地、而且是主动地让网络中所有的节点（包括那无例外地、而且是主动地让网络中所有的节点（包括那些为相邻节点作消息传递接力的节点，即所谓的路由节些为相邻节点作消息传递接力的节点，即所谓的路由节点）的占空比都只有点）的占空比都只有1%1%，这就是解决网络的所有节点全，这就是解决网络的所有节点全部由电池供电，并且还能达到长寿命的实际方法。部由电池供电，并且还能达到长寿命的实际方法。Emerson的现场无线网络的现场无线网络q 该无线系统的规模可大可小，最小为该无线系统的规模可大可小，最小为5个节点，而最多可达个节点，而最多可达100,000个。按支持符合个。按支持符合SP100规定的第规定的第1至第至第5类应用设计，目类应用设计，目前已经过现场实际考验的应用为第前已经过现场实际考验的应用为第3至第至第5类，即开环控制类和监类，即开环控制类和监控类。控类。qEmerson 公司的公司的 SmartPowerTM创新，保证无线设备所用电池创新，保证无线设备所用电池寿命因实际应用场合不同可达寿命因实际应用场合不同可达5至至15年。在信息安全方面，年。在信息安全方面，Emerson宣称使用了加密、授权、验证、抗感染和密钥管理等宣称使用了加密、授权、验证、抗感染和密钥管理等技术技术，并经第三方安全专家的认可，足以保证稳妥可靠的信，并经第三方安全专家的认可，足以保证稳妥可靠的信息安全。该系统可以用在各种流程制造业，包括炼油、石化、息安全。该系统可以用在各种流程制造业，包括炼油、石化、化工、制浆和造纸以及水和废水处理等，也可用在石油和天化工、制浆和造纸以及水和废水处理等，也可用在石油和天然气采集、输油或输气管线及生产平台的远程监控。然气采集、输油或输气管线及生产平台的远程监控。q 此外，此外，Emerson还与设备制造商、用户和工业协会组织一起，积还与设备制造商、用户和工业协会组织一起，积极支持极支持SP100的标准和的标准和HART通信基金会有关无线通信基金会有关无线HART规范制定。规范制定。并承诺一旦这些标准正式发布后，所推出的无线系统可以非常方并承诺一旦这些标准正式发布后，所推出的无线系统可以非常方便地升级，使之完全符合标准。便地升级，使之完全符合标准。ABB和和BP做了大量无线技术工业应用实验做了大量无线技术工业应用实验l 在积极制定工业自动化环境下无线网络标准的同时，开发在积极制定工业自动化环境下无线网络标准的同时，开发和完善满足和完善满足SP 100要求的无线短程网的协议及其在实用条要求的无线短程网的协议及其在实用条件下的验证工作也一直在大力地推进着。件下的验证工作也一直在大力地推进着。l 事实上，早在事实上，早在SP100标准工作启动之前，标准工作启动之前，ABB 公司在公司在2003年就开始了在无线网络运用于开环控制和闭环控制的工厂年就开始了在无线网络运用于开环控制和闭环控制的工厂试验。结论是开环控制和操作指导不成问题，闭环控制还试验。结论是开环控制和操作指导不成问题，闭环控制还存在较大问题。存在较大问题。l BP 公司也从公司也从2004年起在化工产品铁路槽车的远程信息处理，年起在化工产品铁路槽车的远程信息处理，大型运油船引擎的振动、温度等参数的监控，油气管线的大型运油船引擎的振动、温度等参数的监控，油气管线的腐蚀检测，润滑油供应链，液化天然气罐远程监控，腐蚀检测，润滑油供应链，液化天然气罐远程监控，油气油气管线侵入者检测报警，管线侵入者检测报警，液化天然气容器跟踪以及炼油过程液化天然气容器跟踪以及炼油过程的无线测量平台等多个不同的应用场合进行了许多工业实的无线测量平台等多个不同的应用场合进行了许多工业实验。总的结论是：目前的无线技术已完全可满足无线监控验。总的结论是：目前的无线技术已完全可满足无线监控系统的要求，离开璧还控制的要求距离尚远。系统的要求，离开璧还控制的要求距离尚远。Invensys的无线工业应用策略的无线工业应用策略室内室内室外室外专用无线网络专用无线网络数据传输率数据传输率功耗功耗成本成本/复杂复杂度度Invensys 正正 在在 克克 服服 壁壁 垒，垒，面面 对对 安安 全全 的的 无无 线线 工工 业业 应应 用用vInvensys Process Systems宣布其无线通信在工业应用宣布其无线通信在工业应用中的策略是：通过建立独特而广泛的管理网络实现其应用中的策略是：通过建立独特而广泛的管理网络实现其应用要求，即集中在共享接入点技术，以及所有无线设备（不要求，即集中在共享接入点技术，以及所有无线设备（不管供应商，也不管应用在哪一级）的共用数据和安全模型。管供应商，也不管应用在哪一级）的共用数据和安全模型。v这种策略的目的是：为所有工业和企业的无线应用，提供这种策略的目的是：为所有工业和企业的无线应用，提供适当水平的集成、稳健性和信息安全的基础保证。适当水平的集成、稳健性和信息安全的基础保证。v通过无线网络简化测量和数据采集，使得过去在有线通信通过无线网络简化测量和数据采集，使得过去在有线通信环境下显得不实际、甚至不可能的方案得以实现。其期望环境下显得不实际、甚至不可能的方案得以实现。其期望的无线应用解决方案包括：过程优化、设备管理、实时的的无线应用解决方案包括：过程优化、设备管理、实时的装置状态监控、能源管理、人员跟踪、资产设备跟踪，以装置状态监控、能源管理、人员跟踪、资产设备跟踪，以及以实现工业设备利用和提高可用性的协调为重点的企业及以实现工业设备利用和提高可用性的协调为重点的企业资产管理。资产管理。Invensys 正正 在在 克克 服服 壁壁 垒，垒，面面 对对 安安 全全 的的 无无 线线 工工 业业 应应 用用v 由于无线通信技术在工业环境中的应用正处在发展期，各式由于无线通信技术在工业环境中的应用正处在发展期，各式各样的新颖无线设备不断地涌入。但这些设备往往利用了专各样的新颖无线设备不断地涌入。但这些设备往往利用了专用的无线通信协议、专用的技术和与有线通信网络通信的接用的无线通信协议、专用的技术和与有线通信网络通信的接入点。这就造成有效利用从这些设备取得的数据变得困难重入点。这就造成有效利用从这些设备取得的数据变得困难重重，也难以避免保证将信息安全保持在一个适当的水平。重，也难以避免保证将信息安全保持在一个适当的水平。v 这就是这就是Invensys 为什么要对所有设备使用共享接入点技术，为什么要对所有设备使用共享接入点技术，并且对所有的无线频率和通信协议（并且对所有的无线频率和通信协议（WiFi、WiMax、802.15.4、RFID、ZigBee、VoIP、专用协议等）使用共用、专用协议等）使用共用的数据和信息安全模型。的数据和信息安全模型。v 前者会带给用户显著的节省成本，后者则会使通过无线网络前者会带给用户显著的节省成本，后者则会使通过无线网络取得的数据可容易地与资产管理软件整合。而标准化的安全取得的数据可容易地与资产管理软件整合。而标准化的安全模型有助于有效管理无线网络，使它保持在一个适当的信息模型有助于有效管理无线网络，使它保持在一个适当的信息安全和性能水平。安全和性能水平。Invensys 正正 在在 克克 服服 壁壁 垒，垒，面面 对对 安安 全全 的的 无无 线线 工工 业业 应应 用用vInvensys所设计的无线网络策略是与现有的工厂所设计的无线网络策略是与现有的工厂控制和信息网络相互补充和协调运用，它涵盖：控制和信息网络相互补充和协调运用，它涵盖：所需的硬件和软件所需的硬件和软件对现场的调研和分析服务对现场的调研和分析服务工程设计和系统集成服务工程设计和系统集成服务安装、调试和投运服务安装、调试和投运服务不断发展的维护、支持和优化服务不断发展的维护、支持和优化服务v现正在对北美的几个大型化工企业集团做现场调现正在对北美的几个大型化工企业集团做现场调研研与工业短程应用相关的无线标准发展与工业短程应用相关的无线标准发展u通信标准通信标准 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4（基础（基础物理层，数据链路层）物理层，数据链路层）ZigBeeZigBee（网络层（网络层/安全层、应用层）安全层、应用层）SP100.11SP100.11（低功率无线传感器设备的标准低功率无线传感器设备的标准面向现场控制）面向现场控制）SP100.14SP100.14（高带宽无线基础设备和骨干网的标准高带宽无线基础设备和骨干网的标准面向监控）面向监控）u互操作标准互操作标准IEEE 1451.5IEEE 1451.5u应用标准应用标准 Wireless Hart Wireless Hart Wireless FF Wireless FF SP100SP100uWSNWSN用操作系统用操作系统 TinyOSTinyOS（开放源代码操作系统，（开放源代码操作系统，WSNWSN科研界事实上的标准）科研界事实上的标准）ISA SP100自动化和控制环境自动化和控制环境下实现无线系统的标准下实现无线系统的标准q 美国仪表系统和自动化学会的美国仪表系统和自动化学会的ISA SP100标准委员会正在加标准委员会正在加紧制定自动化和控制环境下实现无线系统的标准，紧制定自动化和控制环境下实现无线系统的标准，主要面向主要面向现场仪表和设备，现场仪表和设备，推荐实践指南、技术报告和相关的信息。推荐实践指南、技术报告和相关的信息。着重在三方面制定标准：着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境，运用无线技术的环境，无线通无线通信设备和系统技术的生命周期，信设备和系统技术的生命周期，无线技术的应用。无线技术的应用。q 在在SP 100标委会下开始设五个主要的分标委会：标委会下开始设五个主要的分标委会：射频物理学基础射频物理学基础 可互操作性可互操作性 用户要求用户要求 用户指南用户指南 集成集成面面 向向 成成 功功 的的 SP 100qSP 100力求在现有相关标准的基础上，能力求在现有相关标准的基础上，能在一个较短的时间内取得符合要求的结果。在一个较短的时间内取得符合要求的结果。SP 100尽可能应用下列标准并有所提高：尽可能应用下列标准并有所提高：ISA SP 99信息安全信息安全 IEEE 1451智能传感器智能传感器 FIPS 140-2信息安全信息安全 ISO/OSI 网络可连接的网络可连接的7层模型层模型SP 100力争促进力争促进 新技术的发展和应用新技术的发展和应用 无线网络的节点合理部署无线网络的节点合理部署 从业人员和公司相互间的交流从业人员和公司相互间的交流SP100规定的六类应用规定的六类应用安安全全 0类：紧急动作（恒为关键）类：紧急动作（恒为关键）信信息息时时间间性性的的重重要要程程度度控控制制 1类：闭环调节控制（通常关键）类：闭环调节控制（通常关键）2类：闭环监督控制类：闭环监督控制（经常非关键）（经常非关键）3类：开环控制（类：开环控制（由人工控制）由人工控制）注：批量控制的注：批量控制的3级（级（“单元单元“）和）和4级（级（”过程小单元过程小单元“）由其功能决定可能是由其功能决定可能是1类、类、2类，甚至为类，甚至为0类类监监测测监监控控4类：标记产生短期操作结果类：标记产生短期操作结果（例如：基于事件的维（例如：基于事件的维护）护）5类：记录和下载类：记录和下载/上载不产生直接的操作结果上载不产生直接的操作结果（例如：历史数据采集、事件顺序记录（例如：历史数据采集、事件顺序记录SOE、预防性维护）、预防性维护）SP100规定的六类应用规定的六类应用英国石油公司英国石油公司CTO提出：实际对这些类别（不包括提出：实际对这些类别（不包括0类）的类）的应用需求，大致是按以下的比例应用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10第四、五类应用是大量的第四、五类应用是大量的 状态监控状态监控振动，温度振动，温度/压力压力 性能监控性能监控热交换，环境，机械性能热交换，环境，机械性能用于工业自动化的无线网络的首选要求用于工业自动化的无线网络的首选要求成本成本减少安装成本减少安装成本减少运行维护成本减少运行维护成本易于安装和维护易于安装和维护电源管理电源管理(采用电池运行采用电池运行)兼容性和兼容性和 可扩可缩可扩可缩可互操作性可互操作性/共用基础设施共用基础设施/共存性共存性(与其他射频设备共存与其他射频设备共存)在全世界范围均能使用在全世界范围均能使用(不会因所在国家的法规而无法使用不会因所在国家的法规而无法使用)网络容量和网络规模可扩可缩网络容量和网络规模可扩可缩性能性能通信可靠通信可靠(正确传输的百分比正确传输的百分比%)适于闭环控制适于闭环控制快速的报告速率快速的报告速率 支持现场点对点控制支持现场点对点控制信息安全信息安全网络安全网络安全网格拓扑自组织网格拓扑自组织(meshing)的安全性的安全性就地现场设备接入就地现场设备接入服务质量服务质量(QoS)等级和使用情况等级和使用情况SP100.14 和和 SP100.11u SP100.14工作组专注于低功率无线传感器设备的标准工作组专注于低功率无线传感器设备的标准化。化。u SP100.11工作组专注于高带宽无线基础设备和骨干网工作组专注于高带宽无线基础设备和骨干网的标准化。的标准化。u2006年年9月份前曾广泛征求上述标准的草案。提出草案月份前曾广泛征求上述标准的草案。提出草案的有：的有：AnalogDevices,Adaptive Instruments,ANI,Apprion,Certicom,Crossbow,Dust Networks,Emerson,GE Global Reseach,Machine Talker,Nanotron,Newtrax,OMNEX,Oak Ridge National Laboratories,Sensicast,Siemens,ST,Texas Instruments,Honeywell,和和Yokogawa 等。我国的中等。我国的中国科学院沈阳自动化所也提出过方案。国科学院沈阳自动化所也提出过方案。u在这么多草案中有许多非常相近，于是便形成了几个小在这么多草案中有许多非常相近，于是便形成了几个小组。组。SP100.14 和和 SP100.11n WNSIA（Wireless Networks for Secure Industrial Applications,安全应用的无线网络）。安全应用的无线网络）。其方案是基于其方案是基于802.11 Mesh路由的主干网和以星形拓路由的主干网和以星形拓扑为路由通信的无线传感器的组合，这两种通信均扑为路由通信的无线传感器的组合，这两种通信均采用采用TDMA（时分多路存取）调度方案。在其方案中（时分多路存取）调度方案。在其方案中无线传感器采用了专用的射频协议，特别是在无线传感器采用了专用的射频协议，特别是在2.4GHz采用窄带跳频，遭到有关共存性和可互操作采用窄带跳频，遭到有关共存性和可互操作性的质疑。性的质疑。n WNSIA以以Honeywell为主，参加的有：为主，参加的有：E H，Flowserve,Omnex Cortrols,Yokogawa。SP100.14 和和 SP100.11n Emerson/Dust 组提出的是基于组提出的是基于Dust的网格拓的网格拓扑时间同步协议扑时间同步协议TSMP（Time Synchronized Mesh Protocol）的全网格无线传感器解决方案。）的全网格无线传感器解决方案。该协议工作于该协议工作于IEEE 802.15.4 的的2.4GHz物理层，物理层，并规定所有的通信均处于并规定所有的通信均处于TDMA的时间槽。通信的时间槽。通信调度集中控制，所以任意一种环境或传感器就调度集中控制，所以任意一种环境或传感器就地的变化都要求进行新的调度计算，并由网络地的变化都要求进行新的调度计算，并由网络协调服务器向所有节点传播。协调服务器向所有节点传播。n 本方案是所有提出的方案中唯一一个全网格结本方案是所有提出的方案中唯一一个全网格结构的方案，完全不用星形、树形或簇状树形拓构的方案，完全不用星形、树形或簇状树形拓扑。扑。SP100.14 和和 SP100.11uSensicast/STG/GE 方案与前述方案与前述Dust的方的方案基本相同，差异仅仅在于将集中计算的案基本相同，差异仅仅在于将集中计算的工作分散由各个路由节点去完成。系统组工作分散由各个路由节点去完成。系统组建为簇状树形，路有器节点以树形拓扑返建为簇状树形，路有器节点以树形拓扑返回网关。终端节点与路有节点以星形拓扑回网关。终端节点与路有节点以星形拓扑通信，时间槽由路由节点分散指定。通信，时间槽由路由节点分散指定。uSiemens 方案提出星形拓扑的性能和网方案提出星形拓扑的性能和网格拓扑的多样性和灵活性。由于方案不够格拓扑的多样性和灵活性。由于方案不够具体，尚不得而知如何解决两种拓扑的性具体，尚不得而知如何解决两种拓扑的性能协调问题。能协调问题。SP100.14 和和 SP100.11上述方案有以下共同点：上述方案有以下共同点：IEEE 802.15.4 的的2.4GHz物理层和物理层和MAC层。层。自适应跳频（自适应跳频（AdaptiveFrequency Hopping,AFH）。）。TDMA和和CSMA/CA均有提出，但折衷出现在均有提出，但折衷出现在IEEE 802.15.4 的的MAC层，采用修正层，采用修正GTS（有保证的时间槽）机制，以支持（有保证的时间槽）机制，以支持AFH。尚未提出占优势的安全和授权结构。尚未提出占优势的安全和授权结构。SP100两个主要技术阵营两个主要技术阵营 实际上后面两个组（实际上后面两个组（GE组和组和Siemens组）都支持组）都支持Emerson组，所以现在形成两大技术阵营：组，所以现在形成两大技术阵营：n 以以Honeywell为主的阵营为主的阵营 3eTI,Crossbow,Adaptive Instruments,Endress+Hauser,Flowserve,Omnex controls,Yokogawa.n 以以Emerson为主的阵营为主的阵营 Advanced Industrial Networks,Apprion,Certicom,Freescale/Motorola,GE,Invensys,Machine Talker,Nanotron,NewTrax Technologies,Oak Ridge Nat Lab,Sensicast,Siemens,Software Technology Group,TI/Chipcon,中科院沈阳自动化所中科院沈阳自动化所互操作标准互操作标准IEEE 1451.5 实现实现 IEEE 802.11,Bluetooth,ZigBee间的互操作间的互操作无线现场设备的应用标准无线现场设备的应用标准nWireless HART将将HART的应用规范的应用规范移植到移植到SP100上上nWireless FF将将FF的应用规范移植的应用规范移植到到SP100上上SP100SP100PHY868MHz/915MHz/2.4GHzMACNetworkStar/Mesh/Cluster-TreeWirelessFFAPIWirelessHART应用应用层层WSN用的操作系统的标准化问题用的操作系统的标准化问题n TinyOSTinyOS是一种专为无线传感器网络开发的低功耗、轻量级的开放是一种专为无线传感器网络开发的低功耗、轻量级的开放源代码的嵌入式操作系统。它最早是由美国加州大学伯克利分校开源代码的嵌入式操作系统。它最早是由美国加州大学伯克利分校开发，目前似乎已成为发，目前似乎已成为WSNWSN科研界事实上的标准。科研界事实上的标准。n 今年今年4 4月底在月底在MITMIT召开的传感器网络的信息处理会议上曾专门就召开的传感器网络的信息处理会议上曾专门就WSN用的操作系统的标准化问题，组织了用的操作系统的标准化问题，组织了SP100、ZigBee和和Internet Engineering Task Force(IETF)与与TinyOS Technology TinyOS Technology Exchange(TTXExchange(TTX)展开研讨。展开研讨。n ZigBee联盟曾在早期对联盟曾在早期对TinyOSTinyOS做过技术评估，但从商业的观点来做过技术评估，但从商业的观点来看，它不适合于看，它不适合于ZigBee潜在用户的商业计划开发环境。潜在用户的商业计划开发环境。ZigBee最最后采用了后采用了OSAL嵌入式操作系统。嵌入式操作系统。n 经过两三年的发展，经过两三年的发展，WSNWSN与与TinyOSTinyOS都取得了长足进步。如果都取得了长足进步。如果TinyOSTinyOS建立了真正的抽象层，可以适应各种工业通信协议（一般建立了真正的抽象层，可以适应各种工业通信协议（一般为为1-2-71-2-7层模型）按需求进行变化或升级，也就是说层模型）按需求进行变化或升级，也就是说TinyOSTinyOS应更紧应更紧密地遵照密地遵照OSIOSI分层模型。另外，考虑到分层模型。另外，考虑到SP100SP100在在IEEE802.15.4IEEE802.15.4和和无线传感器射频的无线传感器射频的FHSSFHSS跳频机制之间做出选择时，就更需要抽象跳频机制之间做出选择时，就更需要抽象层了。层了。n 总之，如果总之，如果TinyOSTinyOS要真正从仅为科研界所接受的要真正从仅为科研界所接受的WSNWSN用操作系统，用操作系统，发展成也为具有商业目的无线短程网协议（如发展成也为具有商业目的无线短程网协议（如SP100SP100和和ZigBee等）等）所接受，它必须作相应的改变。所接受，它必须作相应的改变。HART基金会正在积极开发基金会正在积极开发无线无线HART协议协议q ARC的统计数据表明，的统计数据表明，截截至至2005年止，全世界已安年止，全世界已安装的现场仪表达装的现场仪表达 5,3005,500万万台，其中采用台，其中采用420mA信号的达信号的达35%，气气动信号动信号13%，采用，采用HART的达的达39%，采用专用信号采用专用信号的为的为13%，采用现场总线，采用现场总线的仅的仅2%左右。左右。q HART通信基金会通信基金会HCF投投资开发新的技术能力和工资开发新的技术能力和工具，无线具，无线HART已成为开已成为开发重点，成立了无线工作发重点，成立了无线工作组正在制定新的技术规范组正在制定新的技术规范。q无线无线HART协议应该具有目协议应该具有目前有线前有线HART协议能够解决的协议能够解决的所有应用，也就是说可以满足所有应用，也就是说可以满足在在SP 100规定的第规定的第0类到第类到第5类类的全部应用的要求。的全部应用的要求。HART 7.0规范中的规范中的WirelessHA（1/2）2007年年4月月HCF公布了公布了HART 7.0规范，其规范，其中有关无线中有关无线HART的规范，包括：的规范，包括：uWirelessHART用户导则用户导则HCR_LIT-086u无线物理层规范无线物理层规范HCR_SPEC-065uTDMA数据链路层规范数据链路层规范HCR_SPEC-075u网络管理规范网络管理规范HCR_SPEC-085u无线命令规范无线命令规范HCR_SPEC-155u无线设备规范无线设备规范HCR_SPEC-290HART 7.0规范中的规范中的WirelessHA（2/2）pWirelessHART 是基于是基于IEEE 802.15.4，可在全球应，可在全球应用的用的2.4GHz频带，具有信道跳频、频带，具有信道跳频、Mesh网络拓扑网络拓扑鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。它旨在鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。它旨在为过程测量和控制提供有足够确定性、并具有可互为过程测量和控制提供有足够确定性、并具有可互操作性的无线通信标准。操作性的无线通信标准。p将无线通信纳入将无线通信纳入HART规范，将在规范，将在HART原有一切功原有一切功能的基础上进一步提升具有能的基础上进一步提升具有HART功能的现场仪表功能的现场仪表和主系统的技术能力。和主系统的技术能力。p这就是说，有线这就是说，有线HART和无线和无线HART除了通信介质不除了通信介质不同而产生的必要规范而外，它们运用同样的同而产生的必要规范而外，它们运用同样的HART命令结构、同样的软件工具。命令结构、同样的软件工具。无线无线HART通信的要求（通信的要求（1/4）一般要求一般要求 n nHART无线标准支持公用无线现场设备的基础结构，与正在开发的工业无线标准支持公用无线现场设备的基础结构，与正在开发的工业标准（如标准（如SP 100）在互操作性、易于安装和维护等方面密切合作。）在互操作性、易于安装和维护等方面密切合作。n n为保证可靠性和规模可扩可缩，协议必须适用与点对点和网格为保证可靠性和规模可扩可缩，协议必须适用与点对点和网格(mesh)拓扑结构，其中点对点为最小网络。拓扑结构，其中点对点为最小网络。n n重点是工厂内现场设备网络级的通信，作为有线连接的一种替代。重点是工厂内现场设备网络级的通信，作为有线连接的一种替代。n n对于单个现场设备，网络至少必须支持两种应用存取信息，例如对于单个现场设备，网络至少必须支持两种应用存取信息，例如DCS和手持式和手持式PDA存取设备。存取设备。n n规模可扩可缩性能：一个无线接入点（规模可扩可缩性能：一个无线接入点（WAP）可根据网络拓扑和应用）可根据网络拓扑和应用场合接入一台到多台设备。场合接入一台到多台设备。n n一台回路供电的一台回路供电的4-20mA/HART现场设备，也可有第二个数字通信通现场设备，也可有第二个数字通信通道道无线无线HART通道，而不致于使通道，而不致于使4-20mA/HART回路性能变坏。回路性能变坏。n n远程设备组态远程设备组态不用物理连线可对设备进行组态的能力。不用物理连线可对设备进行组态的能力。n n无线现场设备及网络部件必须具有在危险区正常运行的性能。无线现场设备及网络部件必须具有在危险区正常运行的性能。n n当前生产和使用的当前生产和使用的HART设备也可具有无线设备也可具有无线HART通道，作为冗余通信通道，作为冗余通信信道。信道。n n允许设备间通过无线网络交换信息、扩展允许设备间通过无线网络交换信息、扩展HART 6（存取设备参数变量）（存取设备参数变量）的能力。的能力。无线无线HART通信的要求（通信的要求（2/4）成本和使用简便成本和使用简便 n n网络安装和维护成本要比有线网络少一个数量级网络安装和维护成本要比有线网络少一个数量级（至少（至少1/2，目标是，目标是1/10），例如安装难度不超），例如安装难度不超过无线家庭网络、不要求对安装现场进行预评估。过无线家庭网络、不要求对安装现场进行预评估。n n设备安装成本小于或等于有线设备。设备安装成本小于或等于有线设备。信息安全信息安全 n n网络对于网络对于“非授权接入非授权接入”的信息安全能力（如加的信息安全能力（如加密、周期性对授权密钥自动赋值要优于有线系统，密、周期性对授权密钥自动赋值要优于有线系统，不会对用户带来任何影响）不会对用户带来任何影响）无线无线HART通信的要求（通信的要求（3/4）性能和可靠性性能和可靠性n n 电源管理电源管理电池寿命至少电池寿命至少3年。最佳目标为与设备的寿命相年。最佳目标为与设备的寿命相同（同（15年以上），这与应用的具体要求和环境条件有关。年以上），这与应用的具体要求和环境条件有关。n n 在要求高可靠的通信时，在要求高可靠的通信时，HART无线网络支持冗余无线路径无线网络支持冗余无线路径和冗余网关和冗余网关/网络协调器。网络协调器。n n 为现场仪表组态、调试投运，由移动设备（手持式操作器、为现场仪表组态、调试投运，由移动设备（手持式操作器、PDA、便携式电脑）与现场设备的无线链接，其最佳响应、便携式电脑）与现场设备的无线链接，其最佳响应时间性能与现有的手持式操作器相同，目标小于时间性能与现有的手持式操作器相同，目标小于10秒。秒。n n 无线请求无线请求/响应延迟的最佳性能与有线相似，最大的可接受响应延迟的最佳性能与有线相似，最大的可接受性能与网络拓扑和应用有关。性能与网络拓扑和应用有关。n n 在对无线网络安装评估、测试和监控性能是网络管理工具在对无线网络安装评估、测试和监控性能是网络管理工具（如物理信道的信号质量测量、接受信号强度指示器、位（如物理信道的信号质量测量、接受信号强度指示器、位出错率或包出错率监控和链接质量指示器）出错率或包出错率监控和链接质量指示器）无线无线HART通信的要求（通信的要求（4/4）共存性和可互操作性共存性和可互操作性n n在同一逻辑在同一逻辑HART网络中，有线网络中，有线HART仪表和无线仪表和无线HART仪表其共存性仪表其共存性和可互操作性能不致变差。和可互操作性能不致变差。n n在同一个无线网络中，无线在同一个无线网络中，无线HART设备与无线非设备与无线非HART设备的共存性，设备的共存性，表现为在运行限制内，以及对信息安全、性能、可靠性、功耗和带表现为在运行限制内，以及对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小等方面。宽影响最小等方面。n n无线无线HART仪表必须在全世界都能用，都具有互操作性，也就是说目仪表必须在全世界都能用，都具有互操作性，也就是说目标是全球使用单一频带，最坏情况汇报是使用标是全球使用单一频带，最坏情况汇报是使用3个频带（即欧洲、北个频带（即欧洲、北美和其他所有地方）。美和其他所有地方）。n n在同一个无线空间中，无线在同一个无线空间中，无线HART设备与无线非设备与无线非HART设备的共存性，设备的共存性，表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。n n与与RFID标记（供识别和定位）的共存性表现为对信息安全、性能、可标记（供识别和定位）的共存性表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和带宽影响最小。靠性、功耗和带宽影响最小。n n在同一个无线空间不同无线在同一个无线空间不同无线HART网络群的共存性，例如有两种不同网络群的共存性，例如有两种不同的应用要求，一是高采样率网络，另外一个为低采样率网络。的应用要求，一是高采样率网络，另外一个为低采样率网络。n n与其他无线网络的共存性，最佳是在保证最好性能的前提下可自动忽与其他无线网络的共存性，最佳是在保证最好性能的前提下可自动忽略其它信道，最差则可用手动选择信道。略其它信道，最差则可用手动选择信道。无无 线线 HART 的的 通通 信信 模模 型型vOSI模型模型物理层物理层(PHY)IEEE 802.15.4/2.4GHz(目前目前)915MHz(未来未来)数据链路层数据链路层/MAC以以TDMA为基础、兼带为基础、兼带CSMA增强混合协议增强混合协议 数据包跳频数据包跳频网络层网络层以全网格拓扑结构为基线以全网格拓扑结构为基线若要精简功能性，用户可组态若要精简功能性，用户可组态若要求特殊拓扑，用户可组态若要求特殊拓扑，用户可组态传输层传输层分隔在应用层与网络层之间分隔在应用层与网络层之间会话层会话层包括在应用层内包括在应用层内表示层表示层包括在应用层内包括在应用层内应用层应用层用户定义用户定义/与电子设备描述语言与电子设备描述语言eDDLv信息安全信息安全基于现有标准基于现有标准v电源电源路由选择要考虑电源状态问题路由选择要考虑电源状态问题MACPHY2.4GHzAPI安全层安全层32-/64-/128位加密位加密应用层应用层网络层网络层 拓扑拓扑星形星形/网格网格/簇形树状簇形树状IEEE802.15.4无线无线HART用户用户芯片芯片通信栈通信栈应用应用无线无线HART为什么不采用为什么不采用ZigBeev 工作组曾考虑过采用工作组曾考虑过采用ZigBee，但在审视了无线，但在审视了无线HART的要的要求后认为求后认为ZigBee存在以下问题：存在以下问题：ZigBee网络由网络协调器、网络由网络协调器、FFD和和RFD3种类型的节点构成，种类型的节点构成，其中其中RFD确为低功耗，但不能处理确为低功耗，但不能处理Mesh网络的路由，限制了无网络的路由，限制了无线线HART网络的可扩可缩；网络的可扩可缩；FFD可处理可处理Mesh网络的路由，但它必须一直处于工作状态，要网络的路由，但它必须一直处于工作状态，要实现低功耗较难；实现低功耗较难；在在ZigBee网络中只能有一个网络协调器网络中只能有一个网络协调器(网关网关)，冗余网关尚难，冗余网关尚难解决；解决；ZigBee虽然在虽然在2.4G频带有频带有16个频道，对于一个具体设备只能设个频道，对于一个具体设备只能设置一个频道，当在现场发现已设置频道有干扰时必须重新由人工置一个频道，当在现场发现已设置频道有干扰时必须重新由人工设置另外的频道，频道选择不够灵活。设置另外的频道，频道选择不够灵活。无线无线HART网络网络(Mesh网格拓扑网格拓扑)HART变送器变送器(附路由器附路由器)HART中继器中继器HART网关网关无线无线HART网络网络(混合混合Mesh网格网格/星形网络拓扑星形网络拓扑)HART变送器变送器(附路由器附路由器)HART中继器中继器HART网关网关一个基于无线短程网技术的一个基于无线短程网技术的应用实例应用实例焊接过程参数的无线监控系统焊接过程参数的无线监控系统开发焊接过程无线监控系统的必要性开发焊接过程无线监控系统的必要性（1/2）v 目前国内只有目前国内只有5家企业拥有家企业拥有国家核安全局颁发国家核安全局颁发民用核承压民用核承压设备制造资格许可证设备制造资格许可证。v 而通过而通过ASMEASME核电规范产品保证体系的审核，是具备国际资质核电规范产品保证体系的审核，是具备国际资质的核电设备制造企业的必要条件的核电设备制造企业的必要条件。v 某锅炉厂有限公司是国内电站锅炉、核电用压力容器、化工某锅炉厂有限公司是国内电站锅炉、核电用压力容器、化工过程用压力容器的主流生产厂之一，近年来生产发展极为迅过程用压力容器的主流生产厂之一，近年来生产发展极为迅速。速。v 这些产品的焊接过程具有单件加工、无固定工作台、加工周这些产品的焊接过程具有单件加工、无固定工作台、加工周期一般较长、产品的质量与加工过程的各种参数密切相关等期一般较长、产品的质量与加工过程的各种参数密切相关等特点。对于生产过程中的质量监控和数据采集，过去一直沿特点。对于生产过程中的质量监控和数据采集，过去一直沿用眼看手记的传统方法。这种方法显然不能满足实时、真实用眼看手记的传统方法。这种方法显然不能满足实时、真实的要求。需要创建一种无线数据采集和处理系统，以达到对的要求。需要创建一种无线数据采集和处理系统，以达到对生产过程的参数进行灵活、及时的采集和分析，在线掌握车生产过程的参数进行灵活、及时的采集和分析，在线掌握车间的加工质量信息。间的加工质量信息。开发焊接过程无线监控系统的必要性开发焊接过程无线监控系统的必要性（2/2）n 高压容器的加工对焊接质量要求极严。选择正确的焊接方法高压容器的加工对焊接质量要求极严。选择正确的焊接方法和焊接工艺是保证焊接质量的前提。和焊接工艺是保证焊接质量的前提。n 焊接工艺规定，在焊接过程中焊接电流、电压必须保持在容焊接工艺规定，在焊接过程中焊接电流、电压必须保持在容许的参数区间内，被焊工件的预热温度也是直接关系到焊接许的参数区间内，被焊工件的预热温度也是直接关系到焊接质量的重要参数。如果焊接厚度大，要进行多次焊接才能完质量的重要参数。如果焊接厚度大，要进行多次焊接才能完成，那么在焊接过程中，对焊层之间的层间温度的监控，同成，那么在焊接过程中，对焊层之间的层间温度的监控，同样是关系设备运行安全的必不可少的措施样是关系设备运行安全的必不可少的措施。n 如果我们能对整个焊接过程中以上各参数进行全程采集和监如果我们能对整个焊接过程中以上各参数进行全程采集和监控，对提高焊接加工的质量讲是至关重要的。控，对提高焊接加工的质量讲是至关重要的。n 问题在于问题在于车间大，项目多，同时有多台焊机作业，而焊机往车间大，项目多，同时有多台焊机作业，而焊机往往又分散分布，依靠质检人员巡视监督，巡回一轮的时间在往又分散分布，依靠质检人员巡视监督，巡回一轮的时间在半个小时以上。费时费力不说，尚难免有所疏漏。半个小时以上。费时费力不说，尚难免有所疏漏。n 最好的办法当然是建立一个自动的焊接过程数据采集系统。最好的办法当然是建立一个自动的焊接过程数据采集系统。焊接过程质量无线监控系统功能和构成焊接过程质量无线监控系统功能和构成系统功能系统功能:焊接过程参数测量、显示、记录和报警焊接过程参数测量、显示、记录和报警报表记录、显示、打印报表记录、显示、打印系统构成：系统构成：焊接参数测量仪表或传感器；焊接参数测量仪表或传感器；基于基于IEEE 802.15.4/ZigBeeIEEE 802.15.4/ZigBee无线传输技术的无线短程无线传输技术的无线短程网络，包括协调器、路由节点和终端节点；网络，包括协调器、路由节点和终端节点；上位计算机及相关应用软件。上位计算机及相关应用软件。协议协议TCP/IP网络交换网络交换机机监控中心监控中心 公司内部局域网公司内部局域网网络协调器网络协调器ModBus终端节点01路由节点02路由节点01终端节点02终端节点03路由节点03路由节点04路由节点05终端节点04路由节点06终端节点05终端节点06监控机监控机ZigBee网络网络系统图无线节点安装方位示意图无线节点安装方位示意图 通过对工业现场通过对工业现场实地进行无线通实地进行无线通信试验后，最终信试验后，最终确定了网络组成。确定了网络组成。整个网络由一个整个网络由一个ZigBee监控节点，监控节点，9个路由节点，和个路由节点，和若干个可移动现若干个可移动现场数据采集节点场数据采集节点构成。构成。点对点快速传输测试点对点快速传输测试p首先进行点对点大流量通讯测试：一节点作主动节点，发首先进行点对点大流量通讯测试：一节点作主动节点，发出查询包并接收返回包，一个节点作被动节点，接收查询出查询包并接收返回包，一个节点作被动节点，接收查询包并发送返回包给主动节点。主动节点每次发包中间没有包并发送返回包给主动节点。主动节点每次发包中间没有设置人为延时，收到即发，如果设置人为延时，收到即发，如果100ms没有收到，则认为没有收到，则认为是超时，发送下一查