采用ZigBee PRO自己动手设计的工业用无线传感器网络

采用ZigBee PRO自己动手设计的工业用无线传感器网络

一、无线传感器网络是工业自动化的新热点无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注，被称为二十一世纪最具影响的技术之一改变世界的10大新技术之一全球未来的四大高技术产业之一而无线传感器网络技术很快也将进入工业自动化和工业测控领域，大多数工业仪表和自动化产品都将很快嵌入无线传输功能，完成从有线到无线过渡图1是一个典型的工业用无线传感器网络示意图，核心部分是低功耗的传感器节点（可以使用电池长期供电、太阳能电池供电，或风能、机械振动发电等），网络路由器（具有网状网络路由功能）和无线网关（将信息传输到工业以太网和控制中心，或者传输通过互联网联网）图1典型的工业用无线传感器网络由于市场巨大，许多在工业自动化领域的老牌劲旅，如GE、Honeywell等，都推出了各种工业无线传感器网络产品和系统，国内也有不少研究机构和大型公司在进行相关研究，但是，涉及无线传感器网络的技术都是高度保密的东西，我们这些普通的工程师们，很难了解其中的细节和有机会参与任何设计工作那么我们作为从事自动化和工业控制的普通工程师们，能否有机会自己动手，来设计适合自己应用需要的工业用无线传感器网络产品？来开发我们自己需要的无线工业自动化项目？无线SoC技术的发展，将使我们的梦想，将变为现实，目前应该是一个明显的转折点和交汇点回答的肯定的我们完全可能自己动手，设计适合自己应用特点的工业用无线传感器网络

二、选择合适的微控制器和开发平台工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会干扰无线信号的正确接收，同时，工业环境强烈的电磁干扰，也对使用在工业无线传感器网络的核心微处理器提出了新的挑战我们自己动手设计在这样环境中运行的工业网络系统，首先需要选择合适的微处理器和高频电路图2是一个典型的工业无线传感器网络节点硬件结构示意图AA普通电池或者血用锂电池、、MC13224CC2530温度.光敏.加速度.等无线单片机CC2520温度.其它多种SoC传感器等□k图2工业无线传感器网络节点示意图目前TI公司和FREESCALE公司推出的3套最新无线单片机解决方案MC13224,CC2530,MSP430F5437+CC2520,都是很好的SoC微控制器解决方案（见表1）,这些方案的特点是，高度集成化设计，微处理器和无线收发部分在同一芯片内部，需要电路板面积小于2平方厘米，外围只小于很少零件，就有很强抗干扰能力工业无线传感器网络的网关，路由器和传感器节点，都可以使用同一微处理器来设计主要参数MC13224无线单片机CC2530无线单片机CC2520+MSP430F5437结构单芯片,内单芯片内核两片位MCU ARM7805116MCU核，32位MCU8位MCU无线高频前端无线网络协议开源和免开源和免开源和免费ZigBee PROZigBee PROZigBee PRO费费无统至接髓路100DBM100DBM100DBM内置闪存128K256K256K低功耗时电池寿命年年年1055芯片大量采购价格每片美元每片美元每套美元437软件开发平台IAR EWARMIAR EW8051IAR EW430硬件开发系统ARMRF.MC13224-PK C51RF-CC2530-PK MSPRF-430F5437在线仿真器ARM WXL-CC2530TI430网络测试工具网络分析仪网络分析仪网络分析仪采用上述方案，在保证系统可靠性的前提下，最大的特点是经济和方便，因为无线单片机芯片价格很低，甚至已经低于许多类型普通单片机，设计者可以放手进行设计和调试，不必担心芯片损坏等另外目前国内嵌入式设计的知识已经相当普及，设计工业用无线传感器网络网关，路由器，节点和设计我们熟悉的普通单片机系统，核心技术没有什么不同，而且编译，调试系统是目前世界是最强大IAR的商业化嵌入式语言软件设计工具，配合成都无线龙通讯提供的无线单片机开C发平台，样板工程设计，在线仿真器，你可以精确的将故障定位到每一行指JTAG令，将无线组网和通讯，实现慢动作式的重放，并随时捕获空中无线数据包装整个无线通讯软件硬件设计的过程，在这些高级调试开发工具的帮助下，完全透明化，可控制化，使你像开发你的其它单片机系统一样，快捷容易的完成设计任务

三、符合工业无线网络设计要求ZigBee PRO（与面向家庭的无线网络技术到属于这类面向家庭ZigBee2004ZigBee2006的技术）不同，面向工业自动化应用的无线网络技术需要满足以下五个方面需求■高可靠性大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过为了实95%现在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，协议栈ZigBee PRO采用物理层都基于（直接序列

2.4GHz DSSSDirect SequenceSpread Spectrum,扩频）技术（包括数据的调制，激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估,收发数据等）具有很强抗干扰能力，而且层和应用层（部分）有应答重传功能，另外层的弛人机制使节MAC APSMAC C点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信同时ZigBee PROZigBee最新增加的频率捷变（）也大大加强其作为工业网络使用的PRO frequencyagility,可靠性，网络受到外界干扰，比如各种工业现场的无线干扰，无法正ZigBee PRO常工作时，整个网络可以自动动态的切换到全部个频道的一个干ZigBee PRO16净工作信道上实现跳频功能和其它目前采用的工业无线网络协议比FHSS DSSS+FHSS较，可靠性和抗干扰性更胜一筹采用表无线单片机，都可以支持ZigBee PRO1无线网络协议栈ZigBee PRO■严格实时性对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于倍的传感器采样

1.5时间网络针对工业通信对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从ZigBee PRO休眠状态激活的时延都非常短设备搜索时延典型值为毫秒级别，休眠激活时延典型值是活动设备信道接入时延为加上新的路由算法，大15ms,15ms,ZIGBEEPRO大提高了网络路由效率在通过多跳接力的方式进行传输的延迟大幅度降低，完全能够保证端到端通信实时性■低能耗用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器网络节点由于成本的限制和安装条件限制，通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电由于表一中列出的新型无线单片机和无线前端的一系列革命性的新设计，ZIGBEEPRO节点的电池寿命应达到至年能够实现使用最少的能源的工业用无线传感器310网络■安全性随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂为了工业网络应用设计了高安全模式就是当节点加入网High SecurityMode,路时，信托中心会先配一把万能金钥给新加入的节Trust Center,TC MasterKey点，然后，新加入的节点再用这把万能金钥透过的流程，与网路中的任何SKKE节点建立连结金钥最后再利用连结金钥加密后产生一把网路共用的网路Link Key,金钥，网路金钥放在应用层有效载荷中传送给对方，然后再通过网路传NWK Key输加密资料安全设计，完全能够实现工业无线网络对安全通讯的主ZigBee PRO要要求而且如表所示的新的位，位无线单片机具有强大的数据处理能力，11632已经完全具有能力实现复杂的安全算法的能力，对应工业无线传感器网络提出的挑战■兼容性为了保护用户的原有投资，基于工业无线传感器网络要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力采用设计的无线网关，能够ZigBee PRO实现和目前工业以太网，总线，各种工业控制总线的无缝连接，和互联网的CAN通讯也是全球无线传感器网络的重要标准，是具有很好兼容性的工业IP ZigBee无线传感器网络网络协议软件综上所述，以传感和控制为目标无线网络，具有加强版商业级ZigBee PRO和工业的协议栈，完全可以满足上述五个方面的要求，使用协议栈，ZigBee PRO完全可以设计出图所示结构那样，满足自己特别应用要求的工业无线传感器网2络项目和产品

四、有线到无线，我们笑迎新的技术挑战本文重点介绍的是工业无线传感器网络部分的实现，其实，在已经实现工业无线传感器网络和节点间双向通讯的前提下，实现对工业设备的无线控制控制，包括继电器，开关控制，电机控制，都已经是很容易实现的，水到渠成的事情，I/O,只需要在软件和硬件上进行一些小的扩展就可以了从有线到无线，从传统有线工业自动化系统，到新的工业无线传感器网络系统，我们面对全新的挑战，让我们现在就出发，在这些设计开发的挑战中，去完成我们技术更新和升华。