ZigBee pro 符合工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求
面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要滿足以下五個方面需求：
高可靠性：大部分的工業(yè)控制應(yīng)用要求數(shù)據(jù)的可靠傳輸率要超過95%。為了實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場使用無線通信來實現(xiàn)高可靠傳輸面臨以下挑戰(zhàn)，ZigBee pro 協(xié)議棧采用2.4 GHz物理層都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum,直接序列擴頻）技術(shù)（包括數(shù)據(jù)的調(diào)制，激活和休眠射頻收發(fā)器，信道能量檢測，信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示，空間信道評估，收發(fā)數(shù)據(jù)等）具有很強的抗干擾能力，而且MAC層和應(yīng)用層（APS部分）有應(yīng)答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用；網(wǎng)絡(luò)層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，從源節(jié)點到達目的節(jié)點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現(xiàn)故障，ZigBee pro 可以進行路由修復(fù)，另選一條合適的路徑來保持通信。同時，ZigBee pro 新增加的頻率捷變（frequency agility）,也大大加強其作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的可靠性，ZigBee pro網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾，比如各種工業(yè)現(xiàn)場的無線干擾，無法正常工作時，整個ZigBee pro 網(wǎng)絡(luò)可以自動化動態(tài)的切換到全部16個頻道的一個干凈工作信道上（實現(xiàn)FHSS跳頻功能）。和其它目前采用 DSSS+FHSS的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較，ZigBee pro可靠性和抗干擾性更勝一籌。
嚴格實時性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應(yīng)低于1.5倍的傳感器采樣時間。ZigBee pro 網(wǎng)絡(luò)針對工業(yè)通信對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為毫秒級，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms，加上ZigBee pro 新的路由算法，大大提高了網(wǎng)絡(luò)路由器效率；再通過多跳接力的方式進行傳輸?shù)难舆t大幅降低，完夠保證端對端通信實時性。
低能耗:用于對工業(yè)全流程進行泛在感知的無線傳感器節(jié)點由于成本的限制和安裝條件限制，通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。
安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進程的推進，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全問題日益突出，一些安全漏洞將給工業(yè)控制應(yīng)用造成巨大的損失。無線通信由于信道的開放特征更容易容易受到攻擊，其安全保障機制將更加復(fù)雜。
為了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計了安全模式（High Security Mey），就是當節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)時，信托中心（TrustCenter,TC）會先配一把鑰匙（Master Key）給新加入的節(jié)點，然后，新加入的節(jié)點在用這把鑰匙加密后產(chǎn)生一把網(wǎng)路公用的網(wǎng)路金鑰，網(wǎng)路金鑰（NWK Key）放在應(yīng)用層有效載荷中傳輸給對方，然后再通過網(wǎng)路傳輸加密資料。ZigBee pro的安全設(shè)計，完夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)對安全通訊的主要要求；而且，新的16位，32位無線單片機具有強大的處理能力，已經(jīng)完全具有能力實現(xiàn)復(fù)雜的安全算法的能力，應(yīng)對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的挑戰(zhàn)。
兼容性：為了保護用戶的原有投資，基于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有與工廠原有的有線控制系統(tǒng)互聯(lián)和互操作的能力。采用ZigBee pro設(shè)計的無線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)和目前工業(yè)以太網(wǎng)，CAN總線，各種工業(yè)控制總線的無縫連接，和互聯(lián)網(wǎng)的IP通訊。ZigBee也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要標準，是具有很好兼容性的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件。
綜上所述，以傳感和控制為目標的ZigBee pro無線網(wǎng)絡(luò)，具有加強版商業(yè)級和工業(yè)的協(xié)議棧，完全可以滿足上述五個方面的要求，使用ZigBee pro協(xié)議棧，完全可以設(shè)計出滿足特別應(yīng)用要求的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)項目和產(chǎn)品。
圖一是一個典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，部分是低功耗的傳感器節(jié)點（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風能。機械振動發(fā)電等），網(wǎng)絡(luò)路由器（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由功能）和無線網(wǎng)關(guān)（將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者傳輸通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)）
WSN系列工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡介
一． 系統(tǒng)概述
WSN系列工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由山東科技大學測控系與泰安斯耐特自動化設(shè)備有限公司自主研發(fā)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，主要應(yīng)用于各類工礦企業(yè)中對諸如溫度、濕度、壓力、荷重、液位、速度、振動、電壓、電流等電量和非電量過程參數(shù)的監(jiān)測和無線傳輸為目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)具有自動搜索無線終端信號功能，對無線終端測量的現(xiàn)場信號進行中繼與傳輸終送到工業(yè)計算機進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完全可以取代傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其突出優(yōu)點是安裝靈活、管理方便、易于更改配置和不易出現(xiàn)線路故障等，特別是在傳感器安裝密度大和不易布線的應(yīng)用系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)較有限傳感器網(wǎng)絡(luò)更具有不可替代的優(yōu)勢。
作為傳感器網(wǎng)絡(luò)通常安裝在一些關(guān)鍵部位對一些特殊的參數(shù)進行實時監(jiān)測，并將檢測的數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C進行相應(yīng)的處理，以備以后的事故和工藝分析查用。上位機管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對被檢測參數(shù)進行實時顯示、儲存和數(shù)據(jù)記錄、信息分析，對超限的參數(shù)可以實現(xiàn)聲光報警。操作人員和管理人員可以根據(jù)需要對當前或歷史的數(shù)據(jù)信息進行查詢，查詢內(nèi)容可以是列表方式，也可以是數(shù)據(jù)趨勢曲線。通過對歷史數(shù)據(jù)的查詢和分析，可以對被監(jiān)測系統(tǒng)的情況有一個比較全面的了解，從而可以判斷系統(tǒng)的正常與否，為安全生產(chǎn)提供可信的實時依據(jù)和歷史依據(jù)。
二． 主要應(yīng)用
1、 電力系統(tǒng)變電所戶內(nèi)外高壓開關(guān)、變壓器、熔斷器、互感器的溫度與開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測；
2、 煤礦主通風機、提升機、壓風機、泵房的各種工作狀態(tài)參數(shù)的集中監(jiān)測；
3、 煤礦井下人員定位；
4、 鋼鐵廠溫度、位移等工作參數(shù)的集中監(jiān)測
5、 化工廠、造紙廠等各類液體參數(shù)的集中監(jiān)測；
6、 大型機電設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)的集中監(jiān)測；
7、 熱電廠供熱參數(shù)的集中監(jiān)測系統(tǒng)；
8、 大型醫(yī)院的病房無線呼叫系統(tǒng)；
9、 其他需要集中實時參數(shù)監(jiān)測的場合。
三． 系統(tǒng)設(shè)計特點
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身特點，目前大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的參數(shù)都比較單一。這種設(shè)計一方面是從降低無線傳感器終端的設(shè)計成本來考慮，另一方面是從降低無線傳感器終端的能量消耗來考慮。而這兩個方面在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都十分重要的。但為達到安全監(jiān)測的目的，應(yīng)用于安全監(jiān)控方面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，只采集一個單一的過程參數(shù)，在有些時候顯然是不可取的。
在本設(shè)計方案中，為進一步提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，主要有如下
幾個特點：
1、低功耗
為便于安裝，無線傳感器終端采用電池供電方式，因此無線傳感器終端的低功耗設(shè)計尤其重要。本無線傳感器終端按照你每分鐘采集一個數(shù)據(jù)計算，一節(jié)AA鋰電池可以工作5年以上。
2、無線終端具有電池容量（電壓）實時監(jiān)測功能
作為無線傳感器數(shù)據(jù)終端的節(jié)點通常是工作于電池供電狀態(tài)，電池的容量相當于終端的功耗而言通常又是非常有限的，而在本系統(tǒng)中，無線傳感器數(shù)據(jù)終端又必須是24小時連續(xù)不斷地工作。因此，實時監(jiān)測供電電池的容量狀態(tài)對無線傳感器終端保持良好的工作狀態(tài)也是非常必要的。通過對電池和電壓的了解，管理人員可以隨時根據(jù)電池容量狀態(tài)了解各個無線傳感器數(shù)據(jù)終端工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)電池容量不足可及時更換電池，以保證無線傳感器數(shù)據(jù)終端的正常連續(xù)工作。另一方面，電池的容量不足，很可能導(dǎo)致無線傳感器給出錯誤的監(jiān)測數(shù)據(jù)或信息，當有了電池容量（電壓）監(jiān)測參數(shù)以后，就可以避免和剔除由于電池原因提供虛假數(shù)據(jù)信息的可能性。
3、系統(tǒng)采用具有動態(tài)時隙定時觸發(fā)喚醒突發(fā)模式工作
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面，基于該系統(tǒng)的無線傳感器終端節(jié)點在局部比較密集，為使無線網(wǎng)絡(luò)具有很好的穩(wěn)健性和安全魯棒性，本系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上采用了具有動態(tài)時隙定時觸發(fā)喚醒突發(fā)模式。
4、可以根據(jù)系統(tǒng)大小實現(xiàn)不同的組態(tài)方式
由于工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的不同，被監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)量也不同。在無線傳感器數(shù)量上，本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)幾個到幾千個無線傳感器的組態(tài)結(jié)構(gòu)。在傳輸距離上可以實現(xiàn)幾米到幾千米的數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)無線傳感器終端——中繼器——現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器——網(wǎng)路數(shù)據(jù)采集器的不同組合。可以滿足各種工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的要求。
四、方案設(shè)計
根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場過程參數(shù)的特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用單網(wǎng)工作方式，也可以采用多個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
1、無線傳感器終端WSN
無線傳感器終端（WSN）主要完成對工業(yè)現(xiàn)場參數(shù)的測量，同時也對電池電壓參數(shù)進行監(jiān)測。然后對監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線中繼器中，并能夠接受無線中繼器轉(zhuǎn)發(fā)的命令信息。
2、無線中繼器WSR
無線中繼器（WSR）的主要作用是完成無線傳感器信息的空間雙向傳輸。當源信息節(jié)點到目的信息節(jié)點的距離超過無線網(wǎng)絡(luò)的傳播距離時，就需要在源信息節(jié)點與目的信息節(jié)點之間增加一定數(shù)量的中繼器，以便與無線信息的空中傳遞。由于無線中繼器的數(shù)據(jù)傳輸量較大，基于工作分工的考慮，為實時接收無線傳感器的所有信息，無線中繼器需要連續(xù)工作，因此無線中繼器的耗電較無線傳感器終端要大的多，通?？梢杂檬须姾吞柲芄╇?/SPAN>
3、無線數(shù)據(jù)采集器WSA
無線數(shù)據(jù)采集器（WSA）完成對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)安排、無線終端和中繼器地址的確認分配和信道劃分、無線傳感器的數(shù)據(jù)的終采集、并將數(shù)據(jù)信息傳入上位監(jiān)控計算機。在每個子網(wǎng)絡(luò)中具有一個的子無線數(shù)據(jù)采集器。主無線數(shù)據(jù)采集器位于子無線數(shù)據(jù)采集器和監(jiān)控計算機之間，是無線和有線地接口，而子無線數(shù)據(jù)采集器位于主無線位移采集器與數(shù)據(jù)中繼器之間，是無線和無線的接口。
4、監(jiān)控計算機IPC
根據(jù)環(huán)境要求，監(jiān)控計算機可以選用PC或工業(yè)計算機IPC。監(jiān)控計算機的作用主要是對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行存儲、記錄、處理、分析、報警輸出、顯示、查詢等。微型計算機也是整個監(jiān)測系統(tǒng)的目的終端。
5、軟件SF
計算機監(jiān)控+軟件可實時顯示文本數(shù)據(jù)、各種曲線、報警信息和系統(tǒng)狀態(tài)等。
可顯示的趨勢曲線主要有被測參數(shù)曲線和電池電壓（或容量）曲線以及電池的壽命預(yù)測等。文本信息可以根據(jù)要求生成所需要的統(tǒng)計報表，可以根據(jù)用戶設(shè)置提供溫度、電壓的預(yù)警信息，以提示管理人員對系統(tǒng)進行進一步的檢查或維護。
五、主要的參數(shù)
無線頻率：ISM_433MHz（無需申請頻率） 終端電池壽命：5年（理論值）
無線通信距離：無阻擋400米（可延長） 中繼器中繼能力：85個/每個中繼器
位移測量范圍：0-100mm（可修改） 中繼器的數(shù)量：每子系統(tǒng)4-5個中繼器
溫度測量范圍：0-400℃（可修改） 子系統(tǒng)數(shù)量：每系統(tǒng)3-4個子系統(tǒng)
測量終端數(shù)量：幾十到幾千個（基本參數(shù)） 每臺監(jiān)控計算機可以支持2-3個監(jiān)測系統(tǒng)
