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工業(yè)設(shè)備及儀器儀表無線遠(yuǎn)傳技術(shù)方案
1.概述
企業(yè)信息化是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段，實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)信息化，將有效推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)信息化的重要基礎(chǔ)性工作。組建完整的信息化系統(tǒng)是信息化改造中必不可少，而生產(chǎn)過程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備及儀器儀表的數(shù)據(jù)采集為制造執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)源，是企業(yè)信息化的基礎(chǔ)。
目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的方法及接口都是多種多樣的，大體可以分為有線和無線兩類。有線方式主要包括Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線、RS-485等；無線方式主要有基于GPRS方式、基于Zigbee協(xié)議方式等。
①數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊（以下稱采集節(jié)點(diǎn)）。每臺(tái)工業(yè)設(shè)備（如流量計(jì)、控制柜等）上連接一個(gè)數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過無線發(fā)送出去。
②數(shù)據(jù)接收模塊（以下稱接收基站）。放置于控制監(jiān)控中心，也可通過互聯(lián)網(wǎng)可直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心。
③路由模塊。可選配。在信號(hào)強(qiáng)度低、距離較遠(yuǎn)或者其他影響信號(hào)傳輸情況下，可通過增加路由方式增強(qiáng)信號(hào)傳輸可靠性。
數(shù)據(jù)采集模塊通過Modbus接口連接至設(shè)備，定時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)（間隔時(shí)間可由服務(wù)器指定），并通過無線方式向外發(fā)送，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)既可以在mesh網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可以作為其他節(jié)點(diǎn)傳輸路徑中的路由節(jié)點(diǎn)，并且可以通過無線方式接收服務(wù)器下發(fā)的控制命令（如開關(guān)閥門命令）。
數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后通過標(biāo)準(zhǔn)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)端控制中心。對(duì)于信號(hào)弱或者障礙物較多的情況，可以通過安裝無線路由器來實(shí)現(xiàn)區(qū)域的無線覆蓋，并提高傳輸穩(wěn)定性與可靠性。
針對(duì)不同的需求，我公司提供兩種數(shù)據(jù)接收基站接入方式。
第一種，針對(duì)需要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，數(shù)據(jù)接收設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行接口或USB2.0接口直接連接至計(jì)算機(jī)，通過軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)并且可以下發(fā)相關(guān)控制命令。遠(yuǎn)端控制中心可以使用互聯(lián)網(wǎng)通過驗(yàn)證的方式訪問控制室數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。
第二種，針對(duì)僅需要在遠(yuǎn)端控制中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況，數(shù)據(jù)接收設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口接口，使用TCP/IP協(xié)議直接將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，或者使用GPRS無線方式發(fā)送。
①實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以持續(xù)讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。
②效率高，從采集到統(tǒng)計(jì)均為自動(dòng)完成，無需人工干預(yù)。
③零通信成本，無線采用免費(fèi)頻段，無需注冊(cè)，無通訊費(fèi)。
④采用自動(dòng)跳頻技術(shù)，通訊穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，可達(dá)到99.9%一次讀取成功率。
⑤網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有自組網(wǎng)特性，具有自動(dòng)中繼鏈路功能，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣。
⑥控制中心可通過無線設(shè)置采集頻率。
⑦良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)充時(shí)，相應(yīng)地增加采集器、集中器的數(shù)量即可完成系統(tǒng)的擴(kuò)展。3、方案對(duì)比
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有線方式
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無線方式
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簡(jiǎn)介
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通過現(xiàn)場(chǎng)總線等方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉帲M(jìn)行分析存儲(chǔ)。
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使用無線傳輸方式，通過星形網(wǎng)絡(luò)或Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。
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傳輸速度
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高速傳輸
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較快，可滿足一般需求
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傳輸可靠性
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高
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較高
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施工難度
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大。需要規(guī)劃布線、預(yù)設(shè)接口、線路檢測(cè)與線路擴(kuò)容等工作。
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小。只需要將無線采集模塊連接至設(shè)備即可。
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施工成本
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主要為布線費(fèi)用及信號(hào)線成本。
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無線采集模塊費(fèi)用。
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維護(hù)成本
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工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣時(shí)信號(hào)線容易出現(xiàn)故障，查詢難度大。
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故障率低，出現(xiàn)故障時(shí)易查詢，一般帶故障報(bào)警功能。
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目前的工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用了主站輪詢各從站、從站依次上傳數(shù)據(jù)的方式，網(wǎng)絡(luò)在固定信道上進(jìn)行傳輸。該方法存在以下問題：
●網(wǎng)絡(luò)不支持中繼傳輸。如果障礙物存在，就必須組成多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，可靠性降低。
●功耗大，所有從站必須一直處于偵聽模式，不適合電池供電的場(chǎng)合。
●固定信道易受其他噪聲干擾，降低了可靠性。
普賽的無線網(wǎng)絡(luò)采用了基于多信道和時(shí)間同步的技術(shù)方案。在無線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按自己默認(rèn)的偽隨機(jī)序列在多個(gè)信道上切換，同時(shí)將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間片，節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的序列在每個(gè)超幀周期選擇不同的時(shí)間片在不同的信道蘇醒，而在其他時(shí)間片休眠。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是：
●多信道技術(shù)可以有效地避免在公用波段常見的單一信道干擾。由于采用了全部16個(gè)信道傳輸，鄰近節(jié)點(diǎn)可以在同一時(shí)間不同信道上通信，使得系統(tǒng)通信容量大大提高。
●時(shí)間同步技術(shù)使得通信時(shí)延可預(yù)測(cè)，可控制，并且減少了數(shù)據(jù)碰撞的概率。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)之間可以同步地休眠和蘇醒，有效地降低了功耗并且實(shí)現(xiàn)了低功耗的路由器。
●可靠穩(wěn)定的傳輸模式。所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)維護(hù)多條通信路徑，一條路徑被阻斷后可以立即選用備選路徑傳輸。
該技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，目前像愛默生（Emerson）、霍尼韋爾（Honeywell）等知名自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠家都采納了類似的無線技術(shù)方案為他們的產(chǎn)品增加無線功能。我們致力于提高產(chǎn)品在工業(yè)環(huán)境下的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾性，采用了冗余路徑、斷點(diǎn)重傳、端到端確認(rèn)等多種專利技術(shù)達(dá)到工業(yè)無線組網(wǎng)的嚴(yán)格要求。在長(zhǎng)期疲勞測(cè)試中，我們的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了99.9%以上的傳輸成功率。同時(shí)，在每30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)包的情況下，平均電流低至1.5毫安，在兩節(jié)5號(hào)電池供電的情況下可以連續(xù)工作至少三個(gè)月。
與其他方案相比，我們的方案特色與優(yōu)勢(shì)：
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普賽工業(yè)級(jí)無線傳感網(wǎng)
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Wi-Fi（802.11）網(wǎng)絡(luò)
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GPRS網(wǎng)絡(luò)
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Zigbee網(wǎng)絡(luò)
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通信運(yùn)營費(fèi)用
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無（公用頻段）
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無（公用頻段）
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有（短信或GPRS網(wǎng)絡(luò)流量費(fèi)）
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無（公用頻段）
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功耗
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低（采用全網(wǎng)同步休眠技術(shù)，5號(hào)電池供電3-6個(gè)月）
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高（筆記本電池供電2-3小時(shí)）
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中（手機(jī)電池供電1-2天）
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5號(hào)電池高功耗路由器節(jié)點(diǎn)可供電2-3天，低功耗終端節(jié)點(diǎn)可供電6個(gè)月
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可靠性
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高（多信道傳輸，冗余路徑多次重傳，保證99.9%數(shù)據(jù)傳輸可靠性）
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一般
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依賴于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)
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弱（僅在單一信道組網(wǎng)，易受其他網(wǎng)絡(luò)干擾）
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組網(wǎng)能力
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強(qiáng)（多跳中繼傳輸，自組網(wǎng)，自修復(fù)，可繞過障礙物、增加傳輸距離）
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弱（僅支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）
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依賴于運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)
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網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)及每跳節(jié)點(diǎn)數(shù)量需要事先確定
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工作頻段
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2.4GHz，800MHz、470MHz和433MHz等所有ISM免費(fèi)頻段，根據(jù)客戶使用需求靈活配置
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2.4GHz
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移動(dòng)、聯(lián)通授權(quán)頻段
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2.4GHz
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用戶定制性
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節(jié)點(diǎn)有RS232，RS485，CAN總線接口，8路模擬I/O及8路數(shù)字I/O，可根據(jù)客戶要求實(shí)現(xiàn)數(shù)傳、采樣及控制功能
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低
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低
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根據(jù)不同廠商而定
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縮略語
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英文全名
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中文解釋
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GPRS
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General Packet Radio Service
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移動(dòng)通信運(yùn)營商利用無線控制信道提供的一種低速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)
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無線自組網(wǎng)絡(luò)
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無線自組網(wǎng)，或無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(WLAN)中，每個(gè)客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶如果要進(jìn)行相互通信的話，必須首先訪問一個(gè)固定的接入點(diǎn)(AP)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑挘敲磾?shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。
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Mesh接入點(diǎn)
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Mesh接入點(diǎn)提供了Mesh網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)的鏈接。其他Mesh設(shè)備自動(dòng)尋找到接入點(diǎn)的路由。
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Mesh路由器
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Mesh網(wǎng)絡(luò)中提供多跳路由功能的設(shè)備。
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RS-232接口
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計(jì)算機(jī)串行通信口物理接口方式，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
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RS-485
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數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。
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Modbus
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Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。
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