作者：深圳無線龍科技嵌入式無線高級工程師   吳線

    關鍵詞：ZIGBEE pro  工業自動化  工業用無線傳感器網絡

    一、 無線傳感器網絡是工業自動化的新熱點

    無線傳感器網絡的出現 引起了全世界范圍的廣泛關注，被稱為二十一世紀最具影響的技術之一；改變世界的10大新技術之一；全球未來的四大高技術產業之一。而無線傳感器網絡技術很快也將進入工業自動化和工業測控領域，大多數工業儀表和自動化產品都將很快嵌入無線傳輸功能，完成從有線到無線過渡；

    圖一是一個典型的工業用無線傳感器網絡示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節點（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風能、機械振動發電等），網絡路由器 （具有網狀網絡路由功能）和無線網關（將信息傳輸到工業以太網和控制中心，或者傳輸通過互聯網聯網）；                  

圖一， 典型的工業用無線傳感器網絡

    由于市場巨大，許多在工業自動化領域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業無線傳感器網絡產品和系統，國內也有不少研究機構和大型公司在進行相關研究，但是，涉及無線傳感器網絡的技術都是高度保密的東西，我們這些普通的工程師們，很難了解其中的細節和有機會參與任何設計工作；

    那么， 我們作為從事自動化和工業控制的普通工程師們，能否有機會自己動手，來設計適合自己應用需要的工業用無線傳感器網絡產品？來開發我們自己需要的無線工業自動化項目？

    無線SoC技術的發展，將使我們的夢想，將變為現實，目前應該是一個明顯的轉折點和交匯點。

    回答的肯定的：我們完全可能自己動手，設計適合自己應用特點的工業用無線傳感器網絡；

    二、選擇合適的微控制器和開發平臺

    工業環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、金屬管道等對信號的反射、散射造成的多徑效應，以及馬達、器械運轉時產生的電磁噪聲，都會干擾無線信號的正確接收，同時，工業環境強烈的電磁干擾，也對使用在工業無線傳感器網絡的核心微處理器提出了新的挑戰。我們自己動手設計在這樣環境中運行的工業網絡系統，首先需要選擇合適的微處理器和高頻電路；

　　        圖二是一個典型的工業無線傳感器網絡節點硬件結構示意圖　　    

圖二   工業無線傳感器網絡節點示意圖

    目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新無線單片機解決方案：MC13224, CC2530, MSP430F5437+CC2520， 都是很好的SoC 微控制器解決方案，（見表一） 這些方案的特點是，高度集成化設計，微處理器和無線收發部分在同一芯片內部，需要電路板面積小于2平方厘米，外圍只小于很少零件，就有很強抗干擾能力。工業無線傳感器網絡的網關，路由器和傳感器節點，都可以使用同一微處理器來設計；　      

主要參數	MC13224 無線單片機	CC2530 無線單片機	CC2520 +MSP430F5437
MCU結構	單芯片，ARM7內核  ，32位MCU	單芯片  8051內核 8位MCU	兩片  16位MCU
無線高頻前端	IEEE802.15.4	IEEE802.15.4	IEEE802.15.4
無線網絡協議	ZIGBEE pro 開源和免費	ZIGBEE pro 開源和免費	ZIGBEE pro 開源和免費
無線連接鏈路	>100 DBM	>100 DBM	>100 DBM
內置閃存	128K	256K	256K
低功耗時電池壽命	10年	5年	5年
芯片大量采購價格	每片4美元	每片3美元	每套7美元
軟件開發平臺	IAR EWARM	IAR EW8051	IAR EW430
硬件開發系統	ARMRF-MC13224PK	C51RF-CC2530PK	MSPRF-430F5437
在線仿真器	ARM	WXL-CC2530	TI  430
網絡測試工具	網絡分析儀	網絡分析儀	網絡分析儀

    采用上述方案，在保證系統可靠性的前提下，最大的特點是經濟和方便，因為無線單片機芯片價格很低，甚至已經低于許多類型普通單片機，設計者可以放手進行設計和調試，不必擔心芯片損壞等；另外目前國內嵌入式設計的知識已經相當普及，設計工業用無線傳感器網絡網關，路由器，節點和設計我們熟悉的普通單片機系統，核心技術沒有什么不同，而且，的IAR編譯，調試系統是目前世界是最強大的商業化嵌入式C語言軟件設計工具，配合成都無線龍通訊提供的無線單片機開發平臺，樣板工程設計，JTAG在線仿真器，你可以精確的將故障定位到每一行指令，將無線組網和通訊，實現慢動作式的重放，并隨時捕獲空中無線數據包裝；整個無線通訊軟件硬件設計的的過程，在這些高級調試開發工具的幫助下，完全透明化，可控制化，使你像開發你的其它單片機系統一樣，快捷容易的完成設計任務；

    三、ZIGBEE pro 符合工業無線網絡設計要求

    與面向家庭的無線網絡技術（ZIGBEE2004到ZIGBEE2006屬于這類面向家庭的技術）不同，面向工業自動化應用的無線網絡技術需要滿足以下五個方面需求，

　　■ 高可靠性：大部分的工業控制應用要求數據的可靠傳輸率要超過95%。為了實現在工業現場使用無線通信來實現高可靠傳輸面臨以下挑戰，ZIGBEE pro協議棧采用2.4 GHz物理層都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列擴頻）技術（包括數據的調制，激活和休眠射頻收發器,信道能量檢測,信道接收數據包的鏈路質量指示,空閑信道評估,收發數據等）具有很強抗干擾能力，而且MAC層和應用層(APS部分)有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制使節點發送之前先監聽信道，也可以起到避開干擾的作用；網絡層采用了網狀網的組網方式，從源節點到達目的節點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網絡的健壯性，如果原先的路徑出現了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節點出現故障，   ZIGBEEPRO可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信。同時，ZIGBEEPRO最新增加的頻率捷變(frequency agility)，也大大加強其作為工業網絡使用的可靠性，ZigBee pro網絡受到外界干擾，比如各種工業現場的無線干擾，無法正常工作時，整個ZIGBEE PRO網絡可以自動動態的切換到全部16個頻道的一個干凈工作信道上（實現FHSS跳頻功能）。和其它目前采用DSSS+FHSS的工業無線網絡協議比較，ZIGBEEPRO可靠性和抗干擾性更勝一籌；采用表一的無線單片機，都可以支持ZIGBEEPRO的無線網絡協議棧；

　　■ 嚴格實時性：對于工業閉環控制應用，數據傳輸延遲應低于1.5倍的傳感器采樣時間。ZIGBEEPRO網絡針對工業通信對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為毫秒級別，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms，加上ZIGBEEPRO新的路由算法，大大提高了網絡路由效率；在通過多跳接力的方式進行傳輸的延遲大幅度降低，完全能夠保證端到端通信實時性。

　　■ 低能耗：用于對工業全流程進行泛在感知的無線傳感器網絡節點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線單片機和ZIGBEEPRO 無線前端的一系列革命性的新設計，，節點的電池壽命應達到3至10年。能夠實現使用最少的能源的工業用無線傳感器網絡；

　　■ 安全性：隨著工業控制系統網絡化進程的推進，網絡安全和數據安全問題日益突出，一些安全漏洞將給工業控制應用造成巨大的損失。無線通信由于信道的開放特征更容易受到攻擊，其安全保障機制將更加復雜；

    為了工業網絡應用設計了高安全模式(High Security Mode)，就是當節點加入網路時，信托中心(TrustCenter, TC) 會先配一把萬能金鑰(Master Key)給新加入的節點，然后，新加入的節點再用這把萬能金鑰透過SKKE 的流程，與網路中的任何節點建立連結金鑰(Link Key)，最后再利用連結金鑰加密后產生一把網路共用的網路金鑰，網路金鑰(NWK Key)放在應用層有效載荷中傳送給對方，然后再通過網路傳輸加密資料。ZIGBEE Pro 的安全設計，完全能夠實現工業無線網絡對安全通訊的主要要求；

     而且，如表一所示的新的16位，32位無線單片機具有強大的數據處理能力，已經完全具有能力實現復雜的安全算法的能力，對應工業無線傳感器網絡提出的挑戰。

　　■ 兼容性：為了保護用戶的原有投資，基于工業無線傳感器網絡要具有與工廠原有的有線控制系統互連和互操作的能力。采用ZIGBEEPRO設計的無線網關，能夠實現和目前工業以太網，CAN總線，各種工業控制總線的無縫連接，和互聯網的IP通訊。ZIGBEE也是全球無線傳感器網絡的重要標準，是具有很好兼容性的工業無線傳感器網絡網絡協議軟件；

    綜上所述，以傳感和控制為目標的ZIGBEEPRO無線網絡，具有加強版商業級和工業的協議棧，完全可以滿足上述五個方面的要求，使用ZIGBEEPRO協議棧，完全可以設計出圖二所示結構那樣，滿足自己特別應用要求的工業無線傳感器網絡項目和產品；

    四，有線到無線，我們笑迎新的技術挑戰

    通過上面的簡單介紹，我們看到任何工程師， 都有機會來進入這個全新的技術領域，入門并不難，精通也辦得到；這是因為我們生活在互聯網時代，也是因為國內在這個領域已經有像深圳無線龍科技這樣的一批先行者，他們出版了相關中文書籍（北航出版《無線單片機叢書》十本，最新一冊是《ZIGBEE2007PRO入門與實戰》），提供相關C51RF, MSPRF， ARMRF 系列低價格無線單片機開發工具，同時，對ZIGBEEPRO這樣的協議棧的應用提供相關技術支持，提供高頻模塊等服務，這樣，就使我們入門進行設計開發時，更加方便容易，另外，TI，Freescale公司，提供了廉價的無線單片機芯片，高性能的免費無線網絡協議棧；這些，都為我們投入這個全線的技術領域――相對復雜的工業自動傳感器網絡和無線工業自動控制領域，打開了方便之門；

    本文重點介紹的是工業無線傳感器網絡部分的實現，其實，在已經實現工業無線傳感器網絡和節點間雙向通訊的前提下，實現對工業設備的無線控制控制，包括繼電器，I/O, 開關控制，電機控制，都已經是很容易實現的，水到渠成的事情，只需要在軟件和硬件上進行一些小的擴展就可以了；

    從有線到無線，從傳統有線工業自動化系統，到新的工業無線傳感器網絡系統，我們面對全新的挑戰，讓我們現在就出發，在這些設計開發的挑戰中，去完成我們技術更新和升華；