淺談無線技術在工業(yè)自動化中的應用

林永周

【摘要】 遠程通信與傳感器是目前無線技術領域中的重要研究對象，它們的發(fā)展加速了工業(yè)自動化的前進腳步。文中簡要介紹了Zigbee和UWB這兩種典型的無線技術在工業(yè)自動化中的相關應用。

【關鍵詞】 無線技術 工業(yè)自動化 通信 Zigbee UWB超寬帶

無線技術在目前的工業(yè)自動化及通信市場領域應用極為廣泛，這主要得益于它的幾大優(yōu)點。例如相比較于有線通信更加節(jié)約成本而且構建方便，時刻都能為工業(yè)自動化應用帶來合理的應用方案；其次就是追加節(jié)點，擁有強大的擴展性。即在已有的無線網(wǎng)絡基礎上增加了更多WAP無線接入點，對軟件設置修改并達到擴展節(jié)點的目的。而基于無線技術的安全協(xié)議由于擁有獨特加密算法和擴頻跳頻技術，所以它既不容易被竊聽，也具有更穩(wěn)定的抗干擾性，這在惡劣的工業(yè)環(huán)境領域中就能夠發(fā)揮極大的作用。

一、Zigbee無線技術在工業(yè)自動化領域中的應用

Zigbee具有低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本和近距離傳輸?shù)忍攸c，是典型的雙向無線通信技術。在工業(yè)自動化領域中，它常被應用于自動控制和無線控制環(huán)境中，能夠滿足某些小型工業(yè)設備的無線聯(lián)網(wǎng)及控制需求。從技術構造角度來看，Zigbee的協(xié)議主要包括了網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層、應用框架層等等。它基于IEEE802物理層及數(shù)據(jù)鏈路層標準構建，在實際應用中擁有以下幾大特點。

1、Zigbee的技術應用特點。首先一點它的功耗相當?shù)停绻麑⑵湔{節(jié)到低耗電待機模式下，兩節(jié)5號電池就能為它提供6個月的電量維持。這一優(yōu)勢是目前工業(yè)自動化領域的無線技術所沒有的。第二它的數(shù)據(jù)傳輸速率和成本都很低。一般情況下它的傳輸速率只有10～250kb/s，是典型的低傳輸應用技術。由于擁有低傳輸速率，因此它的協(xié)議也相對簡單，這也幫助企業(yè)極大程度降低了工業(yè)自動化運營成本。據(jù)統(tǒng)計一個Zigbee芯片的單體價格只有3～5美元。第三它的時延性比較短，這主要體現(xiàn)在它的通信時延和休眠狀態(tài)激活時延環(huán)節(jié)。一般來說，Zigebee設備在搜索時間時的典型時延值都要在30ms以上，而設備激活時間則為15ms，活動設備接入時間也有15s左右。最后它具有高度的安全可靠性，Zigbee為工業(yè)自動化體系提供了較為完整的數(shù)據(jù)檢查和鑒權功能，這完全得益于它所采用的AES-128加密算法和碰撞避免策略。這兩大功能一方面確保了工業(yè)自動化設備運行過程中數(shù)據(jù)的安全完整性，另一方面也避免了由于固定寬帶通信業(yè)務預留時隙所造成的發(fā)送數(shù)據(jù)沖突情況出現(xiàn)。

2、具體應用。就目前我國的工業(yè)自動化發(fā)展現(xiàn)狀來看，Zigbee技術在工控傳感器領域比較常見，例如自動抄表系統(tǒng)。考慮到目前已有的GPRS無線抄表系統(tǒng)在運營成本方面花費過高，而Zigbee網(wǎng)絡抄表系統(tǒng)由電力部門自行建網(wǎng)設計開發(fā)，無需繳納任何額外費用，再加之它的超大容量和廣覆蓋能力，所以目前許多企業(yè)在工業(yè)自動化這一層面都會采用Zigbee技術來對其工業(yè)環(huán)境溫濕度、氣體、污水等等進行無線監(jiān)測。再一方面，在工業(yè)自動化領域中還會基于Zigbee的網(wǎng)絡功能來采集數(shù)據(jù)并傳遞到匯聚節(jié)點，借助微處理器、GPRS模塊與Zigbee共同構成匯聚節(jié)點，實現(xiàn)諸如UDP/TCP等自動化協(xié)議。在實際應用過程中，用戶端利用GPRS與PC服務器作為基礎模塊構建硬件平臺、軟件數(shù)據(jù)庫，對所收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，進而實現(xiàn)對企業(yè)工業(yè)技術領域全網(wǎng)絡的管理與任務執(zhí)行[1]。

二、UWB超寬帶無線技術在工業(yè)自動化領域中的應用

上文所述的Zigbee擁有其自身獨特的優(yōu)勢，但是它的技術特點也決定了它的局限性，那就是只能在短距離低速率的場合中應用。然而在實際工業(yè)監(jiān)測過程中，自動化操作必須要求擁有高素質影像配合數(shù)據(jù)分析處理，這顯然是需要更快捷高速的數(shù)據(jù)傳輸效率的。因此，UWB超寬帶無線技術的存在就彌補了這一點，滿足了工業(yè)自動化的進一步應用需求。

UWB（Ultra Wideband）技術占空比較低，它通過沖擊脈沖來作為信息載體實現(xiàn)無載波通信技術。具體來說，它依賴于脈沖串來傳遞信息，并將信息調制到離散脈沖信號上，直接通過窄脈沖發(fā)射信號來實現(xiàn)通信功能，是典型的無載波傳輸技術。在工業(yè)圖像及聲音監(jiān)控領域，UWB技術被得以廣泛應用。以一張分辨率為640x480、色彩為24位的實時視像為例，據(jù)檢測它的圖像數(shù)據(jù)量高達7.32Mb/幀，數(shù)據(jù)傳輸率也達到190Mb/s。如此之高的數(shù)據(jù)率傳輸顯然是大部分無線技術所無法做到的。所以在實際應用過程中就在工業(yè)設備的攝像頭處增加一處微處理器，對所攝錄的實時圖像進行簡單的壓縮處理，進而將圖像數(shù)據(jù)率降低到幾十Mb/s左右。此時運用到UWB技術，遠程傳輸圖像數(shù)據(jù)到UWB中心控制室，再配合遠程監(jiān)控為中心控制室與遠程主機端形成無線網(wǎng)絡連接，最終促成無線通信體系共同完成工業(yè)圖像及聲音監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲取工作[2]。

總結：無論是Zigbee還是UWB，它們都是相對而言功耗更低、效率更高的短距離無線通信方式。正是有了它們的存在，工業(yè)自動化領域的無線技術應用才越來越廣泛，生產效率才越來越高，這是許多其它無線通信技術所無法比擬的。

參 考 文 獻

[1] 蘭音波.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術 的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[D].南京郵電大學，2015.

[2] 崔旭，郭殿鋒.工業(yè)自動化領域中的無線技術[J].城市建設理論研究，2014，（10）.