工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)分析

田向麗

（山西省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030003）

引言

自動(dòng)化是工業(yè)高速發(fā)展的基礎(chǔ)，PLC控制器、DCS控制系統(tǒng)等均是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。工業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)先進(jìn)的技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新型技術(shù)之一必不可少。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要相關(guān)的通信、傳感器以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)作為支撐，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵在于完成無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的匹配性設(shè)計(jì)，包括硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議的開(kāi)發(fā)[1]。本文將針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)限技術(shù)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成其功能的實(shí)現(xiàn)。具體闡述如下：

1 基礎(chǔ)理論原理研究

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有體積小、成本低的優(yōu)勢(shì)，該傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可根據(jù)功能需求的不同，為其配套并配置不同類型的傳感器。在工業(yè)常規(guī)應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要包括五個(gè)功能單元。其中，收發(fā)單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和發(fā)送；處理單元對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；傳感單元對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行采集；能量來(lái)源單元為網(wǎng)絡(luò)提供動(dòng)力、能量。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和功能需求，還可為其拓展天線和相應(yīng)的功能擴(kuò)展模塊。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

1）傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件成本偏低。

2）在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中僅需要消耗較少的能源即可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的功能。

3）節(jié)點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程中需要配套動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以彌補(bǔ)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障率偏高的缺陷。

4）在實(shí)際應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，呈現(xiàn)較為密集的分布狀態(tài)。

處理器模塊主要包括有MSC—51微控制器和ARM處理器等，在選型時(shí)需綜合考慮整機(jī)的處理能力和功能等因素。對(duì)于無(wú)線通信模塊而言，可通過(guò)電磁波、超聲波以及激光等基本技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，在實(shí)際選型中需根據(jù)通信的頻率、傳輸距離、功耗以及傳輸效率等因素綜合考慮。傳感器模塊在選型時(shí)需特別注意傳感器電路和信號(hào)處理功能兩項(xiàng)指標(biāo)，能量管理模塊選型時(shí)需特別關(guān)注成本、能量損失以及重量等因素。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理及各個(gè)模塊的選型原則，本節(jié)將對(duì)涉及到的各類模塊進(jìn)行選型，并結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)完成各類模塊之間的硬件互聯(lián)設(shè)計(jì)，為功能實(shí)現(xiàn)配套相適應(yīng)的PCB板。

2.1 各類模塊的選型設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)：所選型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)處理模塊為MSP430，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為CC2420模塊，能源模塊選用兩節(jié)AA電池實(shí)現(xiàn)供電功能，所配置的傳感器包括有溫度傳感器、濕度傳感器、紅外傳感器和光照傳感器等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的天線模塊為頻率為2.4 GHz的PCB印制天線，該型天線的增益為3.3dB，天線的尺寸為25.7 mm×7.5 mm。該型天線的結(jié)構(gòu)緊湊且成本偏低，非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的設(shè)計(jì)要求。

鑒于所選型的MSP430的數(shù)據(jù)處理模塊自帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間有限，還需為節(jié)點(diǎn)配置外部存儲(chǔ)器，該節(jié)點(diǎn)所配置的外部存儲(chǔ)器為Flash外部存儲(chǔ)器，具體型號(hào)為M25P80，實(shí)際存儲(chǔ)功能為1 MB。

2.2 硬件模塊的互連設(shè)計(jì)

為保證各類模塊功能的充分發(fā)揮，保證最終網(wǎng)絡(luò)的有效性，需將上述各類模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。電路為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的基礎(chǔ)，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)基帶電力和射頻電路。其中，基帶電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)MCU的各個(gè)管腳與其他模塊管腳的連接，射頻電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)天線與RFIC的連接。

2.2.1 基帶電路的設(shè)計(jì)

基帶電路設(shè)計(jì)后能確保各個(gè)模塊與MUC之間的通信，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和處理功能奠定基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中基帶電路如圖2所示：

2.2.2 射頻電路的設(shè)計(jì)

射頻電路是實(shí)現(xiàn)PCB天線與收發(fā)芯片之間互聯(lián)的樞紐，射頻電路除了實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)化外，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的阻抗匹配。為了避免引入BALUN電路，天線采用平衡的偶極子天線，對(duì)應(yīng)的射頻電路中有電阻與電容組成的振蕩電路和微帶線。

2.3 PCB板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集，即分布較為緊湊的特點(diǎn)，綜合成本因素，一般在工業(yè)中應(yīng)用的PCB板的結(jié)構(gòu)采用4層結(jié)構(gòu)，包括有2層正表面和2層反表面。其中，頂層和底層為信號(hào)層，中間與射頻電路層相鄰，為保證射頻電路的射頻性能，在頂層和中間層之間鋪設(shè)一層銅箔，保證信號(hào)的回流質(zhì)量[5]。

為避免信號(hào)的完整性受到干擾，將涉及到高速線布置于靠近地面的一層中，或者是在高速線的一層另外并行走兩條地線，達(dá)到屏蔽的功能。結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的空間要求，一般將PCB的總厚度設(shè)計(jì)為1 mm，其中，頂層與底層之間介質(zhì)的厚度為0.3 mm，地層和中間層之間介質(zhì)的厚度為0.4 mm，中間層和底層之間介質(zhì)的厚度為0.3 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)的高質(zhì)量、快速發(fā)展離不開(kāi)各項(xiàng)穩(wěn)定、可靠的技術(shù)作為支撐。無(wú)線技術(shù)作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，其主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的通信功能中，保證信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和準(zhǔn)確性，確保工業(yè)生產(chǎn)中上位機(jī)可準(zhǔn)確的做出判斷和決策。本文重點(diǎn)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)中的無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)展開(kāi)研究，總結(jié)如下：

1）低功耗、功能全面為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心特點(diǎn)，因此在各類模塊的選型時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循上述原則。

2）電路作為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各類模塊互聯(lián)的基礎(chǔ)，其中射頻電路和基帶電路必不可少。

3）PCB板為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能的基礎(chǔ)，包括有底層、地層、中間層和頂層，需根據(jù)實(shí)際需求確定各層之間介質(zhì)的厚度。