工厂自动化和过程自动化中无线短程网和无线局域网

的应用前景分析

上海工业自动化仪表研究所 彭瑜Pengyu@sipai.com

2006 年 5 月

内 容 提 要为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？ ISA SP100— 自动化和控制环境下实现无线系统的标

准无线通信网络的分类

无线局域网 WLAN 无线短程网 WPAN

现场设备层无线通信已进入工控领域 ABB 进行的现场设备层无线通信实验 BP 进行的现场设备层无线通信实验

HART 基金会正在积极开发无线 HART 协议结 束 语

为 什 么 现 在 无 线 通 信在 工 业 环 境 中 的 应 用

特 别 受 到 重 视？

为什么无线通信在工业环境中的应用特别受到重视？

工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力，都力求在提高生产率的同时，降低包括能源消耗、原材料消耗和劳务成本。对于发达国家来讲，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步，采用新的技术手段。在这场竞争日益激烈的比赛中，无线通信技术在工业中的推广应用受到了特殊的重视，显然是基于这样的大背景。

在工业环境下任何地点均能安装使用的智能无线传感器及其网络，具有足够的可靠性和自治处理能力，将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力，从而为提高生产率，改善产品质量，降低成本发挥重要作用。

Invensys的无线工业应用策略

室内

室外

专用无线网络

数据传输率

功耗

成本/

复杂

度

欧洲无线工控应用项目 RUNES的开发路线图

欧洲无线工控应用项目 RUNES的开发路线图

在欧洲，从 2004 年 10 月至 2005 年 4 月，集中了25 个组织（大小公司和研究所）制定了一个名为RUNES 、在未来 10 年内无线技术在工业控制和自动化发展应用的路线图。

背景：及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度灵活性和成本优势创造的机会。

目标：到 2008 年将安装成本降低 50% ，运行成本降低 30% ；到 2014 年将安装成本降低 80% ，运行成本降低 50% 。

欧洲无线工控应用项目 RUNES的开发路线图

发展无线应用必须考虑的原则：在工业控制和自动化中尽可能利用无线通信是必

然的选择无线通信应与传统有线通信系统有互操作性开发可重复配置（ reconfigurable ）的设备尽可能地从环境中取得电源（如用太阳能电池）尽可能采用开放的频段（如世界通用的 ISM 频段

2.4GMHz ）

工业环境下利用无线传输的优势

无线传输的优势表现在：极大降低安装成本、持续降低运行维护成本，更换方便，便于升级，减少接插件故障，移动自由且不受限制，投运快速，可以实际利用 MEMS （微机电系统）技术。

美国能源部的研究估计，无线传感器网络会为工业现场节能 10% 和降低排放或泄漏 15% 提供良好手段。

应充分利用无线通信，开发适当无线产品和系统，为实现我国“十一五”规划的节能降耗目标建功立业。

无线通信网络的工业应用正在发展

无线的工业应用当前出现的新动态是使用高速、无须申请频率许可证、低价的技术。

无线通信距离与具体应用（工厂自动化、过程自动化和 SCADA 系统）强烈相关，一般大致在 150毫米至 80 公里。

当 前 影 响 无 线 系 统广 泛 应 用 的 主 要 障 碍

当前影响无线系统广泛应用的主要障碍是：如何克服工业环境对无线传输的影响和无线技术目前发展的状态尚难以满足工业应用的要求。

工业环境对无线通信的挑战有： 工作环境温度由 -40C—+70C ； 高湿度（ 当温度为 40C湿度 95% 时不结露）； 本质安全防爆要求； 固定设备和移动设备对无线传输路径的影响（衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散、多径时延、干扰、与频率有关的衰减，节点休眠、节点隐蔽和与安全有关的问题）。

ISA SP100—自 动 化 和 控 制 环 境 下

实 现 无 线 系 统 的 标 准

ISA SP100— 自动化和控制环境下实现无线系统的标准

美国仪表系统和自动化学会的 ISA SP100 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，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：运用无线技术的环境， 无线通信设备和系统技术的生命周期， 无线技术的应用。主要面向现场仪表和设备。

在 SP 100 标委会下设五个主要的分标委会： 射频物理学基础 可互操作性 用户要求 用户指南 集成

制定 SP100 的标准化方法论

SP 100 在制定标准前提出标准化方法论： 环境评估—射频、光照影响 应用评估—传输时间、传输容量 可选项评估—技术、产品、标准 无线网络节点部署的评估—初始稳定性、

部 署方便 性能评估—针对用户要求 维护—工具、成本、升级

符合 SP 100 标准保证各方受益

符合 SP 100 将保证： 供应商的规范的一致性，并易于解释 用户要求简明扼要、贴近，并易于解释 可选项清晰而易于鉴别 对于要克服的问题所提供的可选项是可以进行定量估算

面 向 成 功 的 SP 100

SP 100 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。SP 100 尽可能应用下列标准并有所提高：

ISA SP 99— 信息安全 IEEE 1451— 智能传感器 FIPS 140-2— 信息安全 ISO/OSI 网络可连接的 7 层模型

SP 100 力争促进 新技术的发展应用 无线网络的节点合理部署 从业人员和公司相互间的交流

SP100规定的五类应用（ 1 ）

安全

0 类：紧急动作（恒为关键） 信息时间性的重要程度

控

制

1 类：闭环调节控制（通常关键）2 类：闭环监督控制 （经常非关键） 3 类：开环控制（由人工控制） 注：批量控制的 3级（“单元“）和 4级（”过程小单元“）由其功能 决定可能是 1 类、 2 类，甚至为 0 类

监测监控

4 类：标记产生短期操作结果（例如：基于事件的维护）

5 类：记录和下载 /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 SOE 、预防性维护）

SP100规定的五类应用（ 2 ）

直接的操作结果的数据和消息，譬如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录数据的上传（这类似于文件传递，不能因通信类型而发生数据丢失，属于监控的第 5 类应用，是指通过无线传输那些不会产生但又非像控制信号那样必须考虑时间性），其它的上装和下载。

属于监控的第 4 类应用，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据和消息，例如基于事件的维护而必须采集的数据，为测试需要而发往现场的限界动作所产生的临时而短暂的结果，无线设备上的电压低限指示器所产生的告知更换电池的信号等等。

SP100规定的五类应用（ 3 ）

第 3 类开环控制是指在回路中还有人在作用，例如操作人员手动启动一个信号装置且注视着这个装置，远程指导开启一个安全门，操作人员执行手动调节泵 /阀门等。

第 2 类闭环监督控制，通常并非关键部位，如不频繁的串级控制，多变量控制，优化控制等。

第 1 类闭环调节控制，一般均为关键回路，如现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等。

第 0 类恒为关键的紧急行动，包括安全联锁，紧急停车，自动消防控制等。

SP100规定的五类应用（ 4 ）

报警信号根据具体应用场合，分属以上由 0 类至 5 类。例如： 0 类报警是指那些具有自动响应的、致命有毒气体的泄漏检测器信号（如对污染的自动响应），

1 类报警是指具有自动响应的、对流程状态会带来高度影响的信号（如自动停止反应的停车信号），

2 类报警是指对流程状态自动响应的信号（如要对某种参与反应的流体做分流处理），

3 类报警是指对流程状态作手动启动的操作响应的信号（如由操作人员来判断决定是否分流至另一并行的反应器），

4 类报警是指有关设备状态的报警，以通知维护人员在短时间内到达现场，

5 类报警指那些有关设备状态的报警，要求维护人员采取长期维护的动作。

SP100规定的五类应用（ 5 ）

英国石油公司 CTO 提出：实际对这些类别（不包括 0 类）的应用需求，大致是按以下的比例 1 ： 2 ： 4 ： 10 ： 10第四、五类应用是大量的 状态监控—振动，温度 /压力

性能监控—热交换，环境，机械性能

用于工业自动化的无线网络的最紧要的要求成本 减少安装成本

减少运行维护成本易于安装和维护电源管理 ( 采用电池运行 )

兼容性和 可扩可缩

可互操作性 / 共用基础设施 / 共存性 ( 与其他射频设备共存 )

在全世界范围军能使用 ( 与使用国家无关 )

网络容量和网络规模可扩可缩性能 通信可靠 ( 正确传输的百分比 %)

适于闭环控制快速的报告速率 支持现场点对点控制

信息安全 网络安全网格拓扑自组织 (meshing) 安全

就地现场设备接入服务质量 (QoS)等级和使用情况

现场设备级无线网络的要求 (1/6)

成 本安装成本 安装成本远低于有线网络 ( 至少为 2:1)

运行成本 仪表维护成本与有线网络相似底层结构的连接其维护成本低于有线网络

易于安装和维护

增加一台无线设备的工作量 , 与在有线数字通信网络增加一台设备的工作量相同 内在的诊断集和标准化的补纠办法 ,以及支持工具 ( 如电池、RF MODEM 、天线等 )

电源管理 不论是自附电源还是由其他方法供电 ,不管所用电池的类型 ,在正常条件下都至少使用 3 年

成本目标 = ½( 有线 ) + 不致增加任何维护成本

现场设备级无线网络的要求 (2/6)

兼 容 性 和 规 模 可 扩 可 缩

可互操作性 /

公用底层结构

一个支持 SP 100 无线应用协议的开放型无线现场设备的底层结构 , 可通过网关变换为现今的应用协议 与工厂内其他非公用底层结构的 RF 共存

在世界范围均可使用

尽管各国允许的使用频带不尽相同 ,但无线设备必须在世界各国都能使用

网络容量和

可扩可缩性能

每个网络容量可高达 1,000 个现场设备每个网络最多可有 100 个中继节点 在所覆盖的区域内容许多个网络 具有可预测的性能

底层结构支持不同供货商提供的设备 ,而不致干扰现有的无线设备

现场设备级无线网络的要求 (3/6)

性 能通信可靠 能在恶劣的工业环境下 (EMI 、多径、衰变等 ) 正常工作

能与现场中同时存在 WiFi 、 RFID 、对讲机、手机、寻呼机、无线远程控制和其他无线数据网络共存 对数据传输的阻塞有抗拒能力单点故障不致对整个网络产生影响

报告速率 最佳性能与有线数字通信相仿（与具体应用场合有关）适于

闭环控制 在受调度时 间间隔内以极高的消息传输百分比进行传输 因连续丢失消息而脱离预定模式的事件极少发生

在现场支持点对点控制

可向 DCS或类似控制系统发送消息；能同时向其他现场设备发送消息，以形成现场回路

像有线数字通信网络一样可提供和支持闭环控制

现场设备级无线网络的要求 (4/6)

信 息 安 全网络安全

无线网络对故意攻击或人为差错有安全防护 设备均提供识别码 通信关系授权 自动密钥管理 对可能发生的攻击进行推理、记录和报告

消息传送安全

通过对消息的检查防止恶意攻击或消息发送系统出错由要求消息的源节点进行检查 原封不动和不加修改 在 QoS等级内按数据包的顺序传送，对同一数据包不重发 传送的及时性根据应用的需要 通信有防止窃听保护 对所传送的消息作适当的保密处理使之好像是随机数据QoS服务质量 ( 如立即传送、按预定时间传送、等待一定时间 )

保持信息安全的过程具有智能特性

现场设备级无线网络的要求 (5/6)

现 场 设 备 就 地 接 入现 场 设 备 就 地 接 入

在正常条件下用手持式 PDA接入任意现场设备的能力和通过控制系统作代理服务器方式的接入能力 注 : 在以代理服务器方式接入强制保证安全和可计算的 , 同时对常认为驻设备的信息作快速拷贝时每次均保持一致 在投用调试的情况下用手持式 PDA接入任意现场设备的能力 ,或在紧急情况下不能利用控制系统作代理服务器方式接入而又要作预组态时接入 注 : 在其他时间必须禁止使用这一特性 , 在投用调试结束后如果使用之应作为潜在的安全危险加以记录

必须支持现场设备的无线就地接入

现场设备级无线网络的要求 (6/6)

服 务 质 量 QoS

服 务 质 量

QoS

分类

立即 ( 如紧急消息 , 高中断级报警 )

按预定时间传送 ( 如周期性闭环控制模块 )

等待一定时间可得到 ( 如监控数据 , 低中断级报警 )

高吞吐量数据 ( 如历史数据上传 , 组态数据库下载 ,

代码下载 )

信息时间性的重要程度

无 线 通 信 网 络 的 分 类

无线通信网络的分类 无线通信网络按传输距离可分为：

城际网（ WMAN ） 局域网（ WLAN ） 个人网（短程网， WPAN ）

无线通信网络的标准 城际网（ IEEE 802.20 ，

IEEE 802.16 ） 局域网（ IEEE 802.11 ） 短程网（ IEEE 802.15 ）

IEEE 802 标准的无线空间

数据传输率 (Mbps)

传输范围

ZigBee802.15.4 802.15.3

802.15.3a802.15.3c

WPAN

WLAN

WMAN

WWAN

WiFi802.11

0.01 0.1 1 10 100 1000

Bluetooth802.15.1

IEEE 802.22

WiMaxIEEE 802.16

IEEE 802.20

正在发展的一些无线传输的技术无线交换技术

简化无线网络的规划和部署 简化无线网络管理 快速交付使用

网状网络技术 构成接入点和客户的协作网络 改善传输范围，通过数据包的再传输可减少对返输要求 通过多路径传输可提高传输的可靠性 显著改善网络管理和网络能力

智能天线 多发射和 /或接收天线（ MIMO ）

定向聚焦射频电磁波 为改善链接能力和可靠性进行高级信号处理

backhaul

正在发展的一些无线传输的标准

ZigBee/IEEE 802.15.4 特长的电池寿命 很适合工业自动化，家用电器，传感器网络

超宽带（ UWB ， IEEE 802.15.3a 和 802.15.4a ） 美国 FCC 开放一无须申请的自由宽带频率范围 3.1- 10.6GHz 无射频载波，低成本，低功耗， 非直线传输 在低传输速率模式，可用于一个重要的工业市场：

位置感知（在 2厘米 -20米范围内） WiMax （ IEEE 802.16 ， Intel 提出）

适于住宅区 /经营性建筑的长距离（ 1km ）射频链接

较高数据传输率（在一个 20MHz 的信道约 70Mbps ）

也可用于大型工业部署 今年将有商品问世

用于工业控制领域的无线传输网络

近些年来，无线传输网络成为工控领域中正在迅速发展的技术热点之一，也是被不少工业自动化供应厂商看好的一种新的增长点。

发展重点主要集中在无线局域网和无线短程网。一如以往所有的 IT 技术移植到工控应用中来所

采取的方法一样，基础是 IT 行业的各种无线传输标准。但充分考虑在这种专门应用中的特别要求，开发适应这些特别要求的技术、规范、标准和行规。

适应不同无线传输要求而发展的标准和技术

短程

<

传输

范围

>

长程

低 < 实际数据传输率 > 高

TEXT INTERNET/AUDIO COMPRESSEDVIDEO

MULTI-CHANNELDIGITAL VIDEO

Bluetooth1

Bluetooth 2

ZigBee

802.11b

802.11a/HL2 & 802.11g

802.15.3/WIMEDIA

文本 因特网 /声音 压缩图像 多通道数字图像

无 线 网 络 标 准 的 比 较市场名标准

GPRS/GSM

1xRTT/CDMA

Wi-Fi™

802.11b

Bluetooth™

802.15.1

ZigBee™

802.15.4

应用重点广阔范围声音 & 数据

Web, Email, 图像 电缆替代品 监测 & 控制

系统资源 16MB+ 1MB+ 250KB+ 4KB - 32KB

电池寿命 (天 ) 1 至 7 0.5 至 5 1 至 7100 至 1,000+

网络大小 1 32 7 255 / 65,000

带宽 (KB/s) 64 - 128+ 11,000+ 720 20 - 250

传输距离 (米 ) 1,000+ 1 - 100 1 - 10+ 1 - 100+

成功尺度 覆盖面大 , 质量 速度 , 灵活性

价格便宜 , 方便

可靠 , 低功耗 , 价格便宜

无线局域网 WLAN 标准WLAN 标准 IEEE 802.11 系列还在发展中，已完成的有 :

其中， 涉及安全的有： 802.11i 安全扩展 涉及性能增强的有： 802.11e MAC 层的 QoS扩展，

802.11r快速漫游， 802.11n 极高吞吐能力方式，802.11s 网格状联网

涉及投用和管理的有： 802.11k 射频资源管理， 802.11t 无线性能预测， 802.11v 无线网络管理

IEEE

802.11

载频2.4G

带 宽2 Mbps 跳频 ,直序扩频

颁布年1997

802.11b 2.4G 11 Mbps 直序扩频 DSSS 1999

802.11a 5G 54 Mbps OFDM 1999

802.11g 2.4G 54 Mbps OFDM 2003

全球 WLAN 的市场容量及预测

设备单

价市场投放

量

价格从 300美元（ 2000 ）降至十几美元（ 2007 ），市场投放达 5000万台。

工业 WLAN 和 WLAN 要求不同 工业 WLAN 的市场容量相对较小，但性能要求高。 工业 WLAN 的产品应可灵活地通过软件模块实现 802.11 的分

标准。如 Siemens 的工业 WLAN 产品 SCALANCE-W ，就可提供工业 QoS 和快速漫游（ IEEE 802.11r ）的解决方案。

IEEE 802.11 在技术上并不能提供确定性的保证，但在 802.11e 中给出了在 MAC 层支持多传输介质应用及保证通信质量 QoS的扩展：解决了在 MAC 层的优先级服务，又通过轮询规约（ polling protocol ）实现多介质的通信调度。

由于轮询在本质上具有确定性，因而可以避免由 802.11 的信道争用和指数补偿而造成的延迟。

为了防止轮询可能带来的不良问题（如在需要发送的数据尚未形成之前轮询信号已到，那么该数据的发送则不得不再等待一个轮询周期），需要通过自适应轮询算法保证现场设备同步。

工业无线局域网 WLAN 的要求

工业 WLAN 具有与企业办公和家庭应用环境不同的要求。这些要求可归纳为：

严格的延迟要求。 确定性性能的保证 支持大量的设备挂网，并支持挂网的设备

数量可变化。 网络安全的保证。 网络投用的保证。

工业无线局域网 WLAN 的要求严格的延迟要求： 用于现场设备要求延迟不大于 10ms ，用于运动控制不大于 1ms ，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小也是很重要的指标。

确定性性能的保证： 保证确定性是对任务执行有严苛保证的工业通信系统必备的特性。即使

设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。

支持大量设备挂网，并容许挂网设备的数量可变化：工业 WLAN 的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致 IEEE 802.11 的 MAC 协议层效率太低。

网络安全的保证：满足安全保密法规是工业 WLAN 的基本要求。包括对黑客接入点的检测和保护的前提条件。

网络投用的保证：由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的 WLAN 来讲要求网络具有自投用功能， 并能执行无线规划和辅助节点位置调查。

短 程 无 线 网 络 的 标 准

IEEE 802.15 WPAN 工作组负责制定无线个人网 WPAN 的通信标准。

IEEE 802.15 下面有 4 个分标准： 802.15.1 为 BlueTeeth （蓝牙）， 802.15.2 为共存性

802.15.3 为高数据传输率的 WPAN ， 802.15.4 为低数据传输率的 WPAN 。

802.15.1 、 802.15.2 和 802.15.4 均正式公布。 802.15.3 工作组因两个草案投票军未超过 75% ，已宣布解散。

ZigBee 与蓝牙的一些比较

在现场层无线网络中，同样属于无线短程网的 IEC 802.15.4/ZigBee 要比 IEC 802.15.1/蓝牙更具广泛的应用前景。

这主要是基于以下三个原因：ZigBee 的应用开发门槛远低于蓝牙，其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发的 10% ，其最简单的 RFD节点的软件开发工作量仅为蓝牙的 2% ； ZigBee 的功耗远低于 蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲， ZigBee 为 0.01 ，蓝牙为 0.99 ，即 ZigBee 的发射时间只占其周期的 1% ，而蓝牙却占 99% ； ZigBee 的网络节点容量远多于蓝牙。

IEEE 802.15.4/ZigBee 的市场特性 低功耗； 低成本； 较低的报文吞吐率； 支持大型网络接点的数量级（不多于 65K 个接点）； 对通信服务质量 QoS 要求不高（甚至无 QoS ）； 提供可选择的安全等级（采用 AES-128 ）， 加密 发送鉴别 报文的完整性 为适合于多方面的应用而进行的灵活协议设计。

IEEE 802.15.4/ZigBee 的一般技术性能 数据传输率 250Kb/s(2.4GHz) 和 20/40Kb/s(868/915MHz) ； 在 2.4GHz 工业、科学、医学频带（ ISM 频带）为 16 个信

道，在 915MHz ISM 频道为 10 个信道，在欧洲用 868MHz 频道为 1 个信道；

采用信道共享多点接入技术 CSMA-CA （载波监听多信道接入 / 避免冲突）协议；

为保证传输的可靠性，采用完整的握手协议； 为实现低功耗，配备极低的（小于 1/1000 ）频宽比（ duty-

cycle ）能力，可提供无信标（ beaconless ）操作； 支持等待时间低的设备（在使用星型网络时可使用有保证的

时隙）； 支持点对点、星型、簇状树型和网状的网络拓扑。

ZigBee 与 IEEE 802.15.4 的关系

• ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点

• ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用软件

• ZigBee继续与 IEEE紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案

ZigBee 协 议 栈的 特 性

• 8-bit 微处理器 ( 例如 80c51)

• 协议栈简捷紧凑• 甚而支持更简单的仅为从站的协议栈

物理层

MAC子层

网络 /安全层

应用架构

应用层 /行规

802.15.4

ZigBee 联盟平台

应用层ZigBee 平台通信栈硬件实现

ZigBee 或 OEM

ZigBee 的频带和数据传输率

频带 使用范围 数据传输率 信道数

2.4 GHz ISM 全世界 250 kbps 16

868 MHz 欧洲 20 kbps 1

915 MHz ISM 北美 40 kbps 10

ZigBee 技术可靠性怎么保证 ?

可靠性来自以下措施的组合物理层 RF 通信链接

直序阔频采用高处理增益明晰的信道检测对干扰能量进行检测采用跳频技术 Frequency agility

协议基于 CRC 的误码检测 / 校正采取了避免冲突的策略 CSMA/CA为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发保持数据包的及时传输 Packet data freshness

经过强有力认证的标准化开放协议 及可互操作性

物 理 层 特 性

802.15.4 在低信噪比的环境下误码率很低

Bluetooth

信噪比 dB

位误码

率

蓝牙要达到 10-9 误码率，信噪比要为 16

在低信噪比的环境下ZigBee的性能超群

蓝牙

FSK

WiFi B

信噪比

位误码

率

IEEE 802.15.4/ZigBee 的物理层协议设计保证了它的高抗干扰能力

在物理层采用高处理增益的 直序 / 频率快变 DS/FA （ DirectSequence/Frequency Agility ）

IEEE 802 的直序扩频的处理增益比较

处理增益越大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力越强。频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力。

实验证明 IEEE 802.15.4/ZigBee 的误码 率，特别是在信噪比为 4dB 的情况下可达到 10-9 ；达到同样误码 率，蓝牙 /802.15.1 信噪比要达 16dB ， 802.11b 要达 10dB 。

IEEE 802 802.11 802.11b 802.15.4 (2.4G) 802.15.4(915M)

处理增益 11 11 32 15

IEEE 802.15.4 MAC 概述 应用 64-bit IEEE & 16-bit 短地址

网络理论上最大 可达 264 nodes (超过实际需要的数量 ) 采用简约地址开销的就地寻址，可对多达 65,000 （ 216 ） 节

点的简单网络进行组态 规定了三种设备

Network Coordinator 网络协调器 Full Function Device (FFD) 全功能设备 Reduced Function Device (RFD)简约功能设备

帧结构较简单 数据传送可靠 Association/disassociation关联 /去关联 AES-128 安全密钥 CSMA-CA 信道存取 可选带信标（ beacons ）的超帧结构 有保证的时间间隙 GTS （ Gaurantted Time Slot ）机制可选

• 网络 ( 客户 ) 节点最多为 65,536

• 对于要求快速响应的应用场合予以优化– 网络参与时间 : 30 ms ( 典型值 )

– 由休眠从站转化为工作状态 : 15 ms ( 典型值 )

– 处于工作状态的从站的存取时间 : 15 ms ( 典型值 )

ZigBee 基 本 网 络 特 点

网络协调器全功能 节点简约功能 节点

通信流虚拟链接

ZigBee 可构成网状（ Mesh ）网络

ZigBee 终端设备 (RFD 或 FFD)

ZigBee 路由器 (FFD)ZigBee 协调器 (FFD)

网状链接星形炼接

ZigBee 的 Mesh 组网方式

Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构。其路由可自动建立和维护。

通过以上 ZigBee Mesh结构图可以得知，一个 ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。

协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。

构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（ FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器 件，也可是简约功能器 件（ RFD）。

Mesh 自组网络的路由算法

针对移动通信的要求，近些年来已提出的自组织网路由算法主要分为两大类：

基于表驱动的路由算法 (table driven) 源始发的按需路由算法 (source-initiated

on-demand driven)

表 驱 动 路 由 算 法

表驱动路由继承了传统的 IP 路由 ,但在消除路由环路和已过时路由等方面做了适应于自组织网特性的改进。

在这种路由协议中，无论路由是否被用到 ,每个节点都要维持路由表，并进行周期性的路由信息交换。这样会增大移动终端的储存和计算负担 ,且大量浪费了网络带宽。

网络拓扑变化较快时 ,这些大量交换的控制信息将在很大程度上影响数据信息的传送。

源始发的按需路由算法源始发的按需路由算法因其更适合自组织网特性

而成为现今研究重点。按需路由一般分为路由建立和路由维护两个过程。它仅在节点有信息要发送时 ,广播路由建立分组 ,寻找最佳路由 ,而不需维护所有路由信息 , 也不用定期交换路由信息。这样就有效地节省带宽和内存。

如何在按需路由算法中进一步地降低开销是提高其性能的关键。

自组网的网络需要一个优良的网络拓扑算法。 ZigBee 使用了简化的 AODV （ Ad hoc On Demand Distance Vector Routing ）的网络路由结构。

ZigBee 使用简化的 AODV 网络路由结构AODV 路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。

当链路断开时， AODV 会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。 AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。 AODV 操作是无环回的，并避免了当Ad hoc 网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题( 特别是当一个节点进入网络时 ) 。

ZigBee 采用按需路由算法 AODV ，在节能和网络性能上都有着很大的优势。

ZigBee 的 Mesh 拓朴需要解决的问题

目前自组网网络的发展，对于 Mesh 结构的节电模式还没有统一的方式。需要结合实际情况加以解决。

由于采用多跳的路由方式，所以对于整个网络的统一调度还要做很多工作。需要结合实际情况在应用层上开发整个网络的统一路由优化调度算法。

同样，对于大量的节点，怎样合理调度使得 最后产生的路由路径合理有效，也是需要根据实际情况研究的方向。

其他包括全网跳频技术、抗干扰技术等都是需要探讨的。

802.15.4 和 802.11b 的共存性问题• 利用 802.15.4 的信道 #15 、 #20 、 #25 和 #26

可避免受 802 .11b 的信道 #1 、 #6 和 #11 的干扰。后者的发射功率为 前者的 30 倍。

无线信息骨干网的一种构型 由于 ZigBee 是短程网，不可能覆盖整个厂区，加之原有的

现场总线也很有效，所以设计了一种无线信息骨干网系统。

Wireless Information Backbones

Profibus

ZigBee传感器

DeviceNetEthernet

WIB 节点

ZigBee 簇状树形ZigBee 簇状树形

典型工厂的 ZigBee 无线传感器覆盖范围

典型工厂的无线信息骨干网覆盖范围

通过无线信息骨干网实现信息共享 通过建立发射功率 较大的无线信息骨干网（ WIB ，

Wireless Information Backbones ），可将 ZigBee 传感器的信息传输给各种挂在以太网、现场总线上的物理设备。 WIB 的节点一方面是无线网络上的一个节点，另一方面又起着无线通信协议和其它通信协议的转换作用。

实践证明 1W 的发射功率可 以穿透多数的工厂和成套设备。但目前我国的无线法规只限定在 30 mW 内。

应该说， ZigBee 因其低功耗、低成本、传输可靠性高、简便实用，发展潜力很大。其发射功率小、 易受钢结构所衰减、传输距离短等固有问题，完全可以经由WIB予以解决。

现 场 设 备 层 无 线 通 信正 在 进 入 工 控 领 域

现场设备层无线通信正进入工控领域

2004 年 Honeywell推出基于 ZigBee无线传输协议的无线变送器 XYR 5000系列，可精确检测表压力、绝对压力、温度， 还有 4-20mA接口，供其它传感器转为无线输出。OMRON 推出的无线链接 DeviceNet现场总线主站： WD30-ME和从站： WD30-SE，最多可支持DI/DO各 1600点的通信。已成功应用于 丰田汽车装配线的控制系统中。

•现场设备层无线通信迅速进入工控领域，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。以下是若干有象征意义的动作和产品 :

现场设备层无线通信正进入工控领域

德国 schild knecht 公司推出的无线 Profibus-DP 产品 DE 3000系列，可在主站与多个从站之间建立无线链接。其使用的载频为 2.4GHz ，数据包 187.5KB ，无线通信协议分别是：

IEEE 802.11b( 数据传输率 11Mbit)

IEEE 802.11( 数据传输率 1Mbit)

IEEE 802.15.1( 数据传输率 700Kbit)

HART 通信基金会 HCF投资开发新的技术能力和工具，无线HART 已成为开发重点，成立的无线工作组正在制定新的技术规范，要求 HART 无线通信技术保证支持产品的互操作性，提升 HART 智能仪表的智能和可连接性，预计在 2006 年上半年完成规范草案，并与工业无线组织如 SP 100无线委员会协调、合作，以确保工作的连续性和均衡性。

WLAN

WPAN

ABB 进行的现场设备层无线通信实验

ABB 在瑞典的 Boliden加工厂利用 Ember的无线技术进行了无线通信的评估试验。

开环系统应用

控 制 系 统

离线处理无线传感器数据

工厂生产过程

传感器

非实时非实

时

ABB 进行的现场设备层无线通信实验

要求是：通过无线通信传输非过程关键数据，短数据包，低平均数据率，低功耗

具体应用范围有：设备管理、状态检测、预防性维护和服务应用

结果证明： ZigBee完全满足要求

ABB 进行的现场设备层无线通信实验

闭环系统应用

控 制 系 统工厂生产过程

传感器

ABB 进行的现场设备层无线通信实验 要求是：通过无线通信传输过程关键数据，短数据包，

低平均数据率，低功耗， 迟延短，数据包传送有保证 应用范围：制造自动化，过程控制试验证明：对于实时数据，当节点较少时，通过网状拓扑进行 5次接力（ hop ），运行结果很好，在延迟、稳定性和功耗 等方面均符合要求。节点密度对数据包的传输存在较大影响。节点在 50 个以内，数据包时间间隔在 30 秒以上丢包率 1%以下。

这表明如何让节点密度、数据包 间隔时间满足应用的要求，对 ZigBee 无线传输成功应用于现场层设备是一个 巨大挑战。需要进一步研究开发的问题有：在多跳网络中保证合理的迟延，稳健的控制算法（如为减少功耗， 让节点保持同步休眠的网络同步算法）。

丢包率

（%

）

节点数

包间隔 50 秒

包间隔 15 秒

ZigBee 无线传输的挑战：节点密度，数据包 间隔时间

包间隔 30 秒

英国石油公司 BP 的无线应用实验

液化天然气容器跟踪 L

油船引擎振动监控

润滑油供应链

液化天然气罐

远程监控

化工产品铁路槽车的远程信息处理

劳动保护

服装检查

油罐车驾驶员安全措施

油气管线的

腐蚀检测

油气官线

侵入者检测

无线网格网络 (Motes)

Motes概念给 BP带来巨大利益，但 … ..•Motes 主要用于研究活动、清洁区域 ..•在严酷工业环境中（天气、振动、温度、金 属结构和设备等）它能用吗？要Motes 在严酷工业环境中完全可以使用，还待实验证明但 ……• 大部分 BP 的工业场所要求本质安全等级的设备，目前尚找不到本质安全的 Motes • 在油船的轮机间还要求抗振动、高温等许多环境挑战，尽管不要求本质安全• 接下去要在炼油厂进行有关本质安无线技术的实验

采用Mesh拓扑的无线传感器网络解决测量问题已成共识Early

Motes

BP在 Schiehallion对mote 技术进行试验

12万吨运油船 Loch Rannoch号上的 Motes试验

在严酷工业环境下用 motes 进行轮机状态监控，减少了停机时间和非计划维护

在 BP 的 Loch Rannoch号油船上做实验

• 从 Schiehallion油田装载 120,000 吨原油运到 Shetland 的 Sullom Voe,

• 进行了进行了 66个月的实验，主要检测旋转个月的实验，主要检测旋转设备的振动情况设备的振动情况

• 现在用手动方法进行状态检测，慢且不能做到定时检测

• 用有线传感器作状态检测在成本上是不实际的

• 为此不得不定期将轮机拆开检查

技 术 解 决 方 案

• 2004 年运行了 6 个月• 26 个 motes, 115 传感器 ,

4 个网关 • 节点的部署需要克服高射

频背景、电压变化以及由振动产生的高机械应力，并考虑轮机舱的舱口和隔间对无线网络的影响

• 还试验利用振动产生的机械能转换成电能，向mote供电

• 取得很好的经验

检查motes 的安装位置

炼油过程的无线测量平台

严酷的工业环境下（ class 1 div 2）工作的 mote,

电池寿命长

•在相当大的范围进行工业测量，可靠性达99.99%

•仪表安装成本节约一个数量级

•无线通信可以支持各类的数字式和模拟式传感器

炼油厂内实验效果令人满意

按运行要求进行周期性的测量实验

BP 无线通信的工业实验的几点经验

对 SP100 4 类 和 5 类应用有强烈需求—通过实验证明在实际中完全可以应用： 状态检测 — 振动和温度 /压力 性能检测 — 热交换、环境状态、机械运行状态

3 类应用（开环控制）也有需求 希望 2 类和慢速 1 类随着用户不断取得经验，在

对传输延迟、信息安全和稳健性（ robustness ）等有更好了解之后，而逐渐有所应用 ，以利于更多地引导对此类应用的要求。

HART 基金会正在积极开发无线 HART 协议

HART 基金会正在积极开发无线 HART 协议

ARC的统计数据表明，在全世界已安装的现场仪表达 4,000—4,500万台，其中采用 4—20mA信号的达 48%，采用HART的达 26%，采用气动信号的为 13%，采用现场总线的仅 1%左右。

HART 通信基金会 HCF投资开发新的技术能力和工具，无线 HART 已成为开发重点，成立的无线工作组正在制定新的技术规范。

4—20mA HART气动信号现场总线专用信号

无线 HART 协议应该具有目前有线 HART 协议能够解决的所有应用，也就是说可以满足在 SP 100规定的第 0 类到第 5 类的全部应用的要求。

无线 HART 通信的要求（ 1 ）一般要求 HART 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 SP 100 ）在互操作性、易于安装和维护等方面密切合作。 为保证可靠性和规模可增可减，协议必须适用与点对点和网格（ mes

h ）拓扑结构，其中点对点为最小网络。 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。 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

和手持式存取设备。 规模可增可减性能：一个无线接入点（ WAP ）可根据网络拓扑和应用

场合接入从一台到多台设备。 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道—无线 HART 通道，而不致于使 4-20mA/HART回路性能变坏。

远程设备组态—不用物理连线可对设备进行组态的能力。 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。 当前生产和使用的 HART 设备也可具有无线 HART 通道，作为冗余通

信信道。 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）的能力。

无线 HART 通信的要求（ 2 ）成本和使用简便 网络安装和维护成本要比有线网络少一个数量级

（至少 1/2 ，目标是不 1/10 ），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。

设备安装成本小于或等于有线设备。信息安全 网络对于“非授权接入”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，不会对用户带来任何影响）

无线 HART 通信的要求（ 3 ）性能和可靠性 电源管理—电池寿命至少 3 年。最佳目标为与设备的寿命相同（ 15 年以上），这与应用的具体要求和环境条件有

在要求高可靠的通信时， HART 无线网络支持冗余无线路径和冗余网关 / 网络协调器

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，其最佳响应时间性能与现有的手持式操作器相同，目标小于 10 秒。

无线请求 /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。

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、位出错率或包出错率监控和链接质量指示器）

无线 HART 通信的要求（ 4 ）共存性和可互操作性 在同一逻辑 HART 网络中，有线 HART仪表和无线 HART仪表其共存和可互操作性能不致变差。

在同一个无线网络中，无线 HART 设备与无线非 HART 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、功耗和带宽影响最小等方面。

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、北美和其他所有地方）。

在同一个无线空间中，无线 HART 设备与无线非 HART 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。

与 RFID 标记（供识别和定位）的共存性表现为对信息安全、性能、可靠性、功耗和 带宽影响最小。

在同一个无线空间不同无线 HART 网络群的共存性，例如有两中不同的应用要求，一是高采样率网络，另外一个为低采样率。

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。

无 线 HART 的 通 信 模 型OSI模型物理层 (PHY)—IEEE 802.15.4/2.4GHz( 目前 )

915MHz( 未来 ) 数据链路层 /MAC—以 TDMA 为基础、兼带 CSM

A增强混合协议 数据包跳频 网络层—以全网格拓扑结构为基线

若要精简功能性，用 户可组态若要求特殊拓扑，用户可组态

传输层—分隔在应用层与网络层之间 会话层—包括在应用层内 表示层—包括在应用层内 应用层—用户定义 / 与电子设备描述语言 eDDL

信息安全—基于现有标准电源—路由选择要考虑电源状态问题

MACPHY2.4GHz

API安全层

32-/64-/128位加密

应用层

网络层 拓扑星形 / 网格 / 簇形树状

IEEE802.15.4

无线HART

用户

芯片 通信栈 应用

无线 HART 为什么不采用 ZigBee

工作组曾考虑过采用 ZigBee ，但在审视了无线 HART 的要求后认为 ZigBee存在以下问题：

ZigBee 网络由网络协调器、 FFD 和 RFD3 种类型的节点构成， 其中 RFD确为低功耗， 但不能处理 Mesh 网络的路由，限制了

无线 HART 网络的可扩可缩； FFD 可处理 Mesh 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； 在 ZigBee 网络中只能有一个网络协调器 ( 网关 ) ，冗余网关尚难解决；

ZigBee 虽然在 2.4G 频带有 16 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设置另外的频道，频道选择不够灵活。

无线 HART 网络 (Mesh 网格拓扑 )

HART变送器

(附路由器 )

HART中继器

HART网关

无线 HART 网络( 混合Mesh 网格 / 星形网络拓扑 )

HART变送器

(附路由器 )

HART中继器

HART网关

可在节能方面发挥巨大作用 低功耗、高可靠性的工业 级的无线变送器系列，在降低能耗的潜在

能力已为美国政府能源部所看好。据悉， 2004 年美国能源部投资 1,000万美元与 Honeywell 公司签订一项合同，继续深入开发 XYR 5000 系列产品（目前它只适合美国使用的载波频率 915MHz 的产品，尚无适于全球使用的 2.4MHz 的产品）。

美国能源部希望利用无线网络技术广泛而实时地跟踪和监测生产过程，主要针对钢铁、电解铝等 6 个耗能大的行业，减少甚至杜绝跑冒滴漏，以获得显著的节能效果（能耗降低 15% ）。

美国能源部化巨资签约基于该无线变送器系列产品的以下特点： 成本 系统安装方便快捷，无须电缆，大大节约网络结构成本； 时间 安装简化，系统投用快速，可加速投资回收； 通信距离 最远可达 600米，依设备分布拓朴结构不同；检测精度 精确度不小于全量程的 0.1% ； 可靠性 电池使用寿命长，低电压发出报警，软硬件自检测功能，可连续监测传感器和变送器的技术参数正常与否，采用 FHSS跳频技术，避免无线信号的干扰；严酷的工业应用等级。

结 束 语（ 1/3 ） 无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。有人估计再过四、五年，即 2010 年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。

无线技术首先会用在楼宇自动化、自动抄表、事故响应、设备监控 SCADA 系统、设备资产管理、诊断维护等。当前较适宜应用的行业可能有：物流过程（装运状态监控）、汽车制造、食品加工、制药和流程行业（设备资产跟踪、监控、管理）等。

工业控制的无线技术主要集中在无线局域网和无线短程网两个方向。它们都具有相当牢固和成熟的技术基础，但为了适应工业控制要求和环境，还需要专门的开发研究。

由于无线现场仪表的优点一定要体现在用长期无线供电上，所以一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合，它足够可靠；也就是说可以用在将近 80% 的自动化和过程控制场合。

结 束 语（ 2/3 ） 现有现场总线的无线传输的可行性正在评估。基于 CAN

的 DeviceNet 实现无线通信的确定性相对要容易，因为其数据包长度相当小。现已有产品问世，但尚未见正式规范。因此只能认为这仅仅是个别的解决方案。

相对而言， Profibus-DP 的数据包长度相当长（ 187KB ），若要实现无线通信，只能通过 IEEE 802.11( 其带宽为 1Mbps) 、 IEEE 802.11b （其带宽为 11Mbps ）或 IEEE 802.15.1 （其带宽为 1-3Mbps ）而不能采用 IEEE 802.15.4 （其带宽仅为 20-250Kbps ），因而要保证传输的确定性确有其难度。

HART 基金会已成立无线 HART 工作组，要求 2006 年初拿出规范草案，确定通过 IEEE 802.15.4 实现 HART的可行性。鉴于采用 HART 协议传输的仪表市场占有率高，绝对数量巨大，此动向极为吸引业界关注。

结 束 语（ 3/3 ）

适应各种不同应用类型和要求的无线通信的标准，有的已经颁布并被市场接受，有的还在制订过程中，其发展和市场开发值得我们重视。

应该把无线通信看成是现有有线通信系统的一种发展和重要补充，决非一种替代。