工业无线技术理论与应用（四）

专家：杜品圣 领域：工业无线 行业：市政 日期：11-11-10 11:26 点击数：3341

    5 ZigBee™ (IEEE 802.15)

    5.1 任务

   与蓝牙技术相类似，ZigBee是一种新兴的短距离无线技术，设备无线连接用于数据交换，主要目标是传输开关和传感器的信号。建立具有已知数据容量、空间范围和无线设备数量的低成本的无线局域网。网络中单个无线链路的标准有效范围在10至50米之间。

    ZigBee是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。低能量消耗是对数据采集单元，即对开关和传感器的特殊要求。如果采集单元使用电池供电，那么电池寿命取决于数据类型和数据交换频率，通常为数月。例如使用AA电池（LR6），当数据交换频率较低时，其寿命甚至长达数年。因此可以不再需要供电线路就能够在难以进入的地区进行简易安装。

    ZigBee设备在2.4G 至 2.4835 GHz的ISM频段进行传输，在该频段内使用的信道有16个，其间距均为5MHz。在欧洲，另一条可用信道频率为868MHz。

    无线通讯采用DSSS（直接序列扩频）技术进行数据传输。

   在国际标准中，ZigBee由IEEE委员会802.15（无线个人局域网）的802.15.4工作组（ZigBee）进行定义。

   发射频率为2.4GHz时，16条信道的传播速度均为250kbps，发射频率为868 MHz的信道传输速度为20kbps。

   5.2 结构

    为了根据不同的应用情况降低成本，提供了两种设备类型；完整功能的元件（FFD：Full Function Devices）和削减功能元件 (RFD：Reduced Full Devices)。

    削减功能元件 (RFD) 的主要特点如下：

    - 只能作为终端设备使用

    - 只能在星型拓扑结构中使用

    - 只能同等网络中进行通信

    - 很容易实现

                      
                                       图 1:星型拓扑结构

    完整功能的元件(FFD) 的主要特点如下：

    - 可在任何有效的拓扑结构中使用

    - 可发挥网络协调器的作用

    - 可与任何设备类型进行通信

    - 具有路由能力，因此可以形成网状网络

                 
                                          图 2: 网状网络

    5.3 建立连接

    设备之间的通信通过CSMA/CA（载波侦听多址访问/避免碰撞）访问程序进行控制。与有线数据交换网络相比，无线网络具有特殊作用。由于单个网络用户的有效范围受到限制，所以其它用户并非在任何情况下都能识别出已存在的连接。因此只能通过可到达所有用户的接入点控制通信。

                   
                                   图 3: TN1识别不出与TN2和TN3的连接

    每个ZigBee设备都有全球唯一的64位地址，在用户网络中只有16位用于识别。因此，大约可以连接65000名用户。也就是说，ZigBee是一个由可多到65000个无线设备组成的一个无线数据传输网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee无线设备之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的10至50米之间无限扩展。
为了使单个设备中的低能量消耗达到要求，设备在非活动情况下进入休眠模式。必要时只需15毫秒“复原时间”就可以重新激活。同样，设备在30毫秒内就能很快建立起新的连接。

   5.4 安全

   在ZigBee技术中，采用对称密钥的安全机制，密钥由网络层和应用层根据实际应用需要生成，并对其进行管理、存储、传送和更新等，ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全类软件，并集成了802.15.4的安全元素，ZigBee设备的安全是基于链接密钥（link key）和网络密钥（network key）。APL对等实体之间的单播通信依赖网络中两个设备共享的128位链接密钥进行安全保护，而广播通信依赖网络中所有设备共享的128位网络密钥进行安全保护。接收者总是知道确切的安全设置，即，接收者知道一个帧是否由链接密钥或网络密钥保护。

   5.5 应用

   ZigBee具有三个重要应用领域。

   家居自动化：家庭设备的自动化控制。

    楼宇自动化：由于可以把大量开关和传感器集成到ZigBee 网络中，这点对于大型的楼宇自动化系统中需要大量的传感器和控制器的场合是适合的，在使用ZigBee 技术的楼宇自动化系统中，无线网络的框架是网状结构， 使用一定数量的ZigBee路由器节点即可覆盖整个的建筑内部区域，而且节点数越多，系统将越可靠。另外由于网状网络结构具有自配置的功能，增加新的节点时或重新对节点进行布置时将十分方便。

    工业传感器：该技术同样也非常适合工业无线传感器，低能耗是其突出的优点，在很多场合为传感器提供有线电源十分困难，使用电池和小型太阳能供电的ZigBee传感器可以方便的集成到ZigBee网络中。

   6 Trusted Wireless™

   6.1 任务

    蓝牙和无线局域网等无线技术在工业无线技术中找到了一席之地，尽管它们最初是为其它用途而开发。与此相对，Trusted Wireless™技术涉及到的无线传输技术，它专为恶劣的工业环境而开发，因此在该领域得到最佳使用。

   对于它的开发公司加拿大Omnex公司来说，以下技术领域非常重要：

    • 传输线路必须稳定，极其强大的信息流不允许被环境中的干扰源打断。

    • 必须存在多条无线链路可并行运行而互不干扰的可能性。这尤其适用于具有不同技术标准的无线技术。

    • 由于需要能够在开阔设施中使用设备，所以必须具有较大的有效范围。在规定2.4GHzISM频段无需许可证，由于在该频段定义了最大发射功率，所以借助于非常高的接收灵敏度实现一个大的有效范围。

    • 一个有效的协议保持尽可能低的总数据量，这样也可以支持实现大的有效范围的目标。

    • 无线传输设备必须易于安装并投入运行，不需要具有专业无线技术知识，即“即插即用”。

    通过Trusted Wireless™技术达到了所谓的角点，由于各个区域使用无线设备的规定不同，所以所提供的Trusted Wireless™设备是稍微修改过的版本。在欧洲，组件工作在2.4GHz的ISM频段。

   6.2 无线通讯

   使用在2.4-2.4835GHz的ISM频段工作的Trusted Wireless™设备时，可用的83.5 MHz带宽被划分为带宽为100kHz或500kHz的窄带信道。因此，使用100kHz带宽时，可以最多实现830个传输信道。划分为许多单个窄带信道的方法是FHSS（跳频扩频Frequency Hopping Spread Spectrum）技术的应用基础，传输信道每27毫秒改变一次。通过这样，抗传输频率干扰的能力显著增强。

    为了使多条无线链路能够互不干扰地并行运行，所有信道被划分成组群。通过建立组群，整个2.4Ghz频带实现了最优分叉。此外，不同组群的系统可以在完全不冲突的情况下平行存在。一个组群内的系统可能会在某一频率上发生冲突，但是由于下一频率上顺序不同而保证了传输的可能性。下图显示了三组划分。由于组群并非通过相邻信道组合进行划分，所以信息传输分配在整个频段。

                
                                   图 4: 信道组的形成

   相较于其它ISM技术，一个特点是Trusted Wireless™组件的硬件配置。电子硬件使用特定组件（不包括单芯片技术）运行。通过这项措施可以显著提高接收灵敏度。尽管允许的最大发射功率为100mW，相对较低，但其有效传输范围可能达到数公里。

   6.3 数据传输

   基本版本中，在由两个连接的Trusted Wireless™设备组成的无线链路上可以传输两个数字信号（5...30 V ）和一个模拟传感器信号（4...20 mA ）。此外，射频（RF Radio Frequency）链接信号和接收信号强度指示（RSSIReceive Signal Strength Indicator）信号可用于连接诊断。射频链接通过LED指示灯显示出存在的连接，无线链路的质量通过RSSI显示。当设备第一次启动和校正天线时，该模拟信号可用于连续监测。

   通过把最多八个扩展模块肩并肩集成到总线底座，扩展无线基站，最高配置下可以传输33个模拟信号和66个数字信号。还可以额外使用测量模块和计量模块记录监测频率和脉冲。

    单向传输系统工作的信道间隔为100 kHz ，各有63条信道合并成一组。然后在这样组成的9个组中建立单向无线连接。双向传输系统的信道间隔为500 kHz 。这里使用的是7个各由22条信道组成的组。

    另一个Trusted Wireless™设备组为串行接口数据透明传输而开发。无线电双向收发器（发射器和接收器）通过无线链路发出RS-232或RS-485/RS-422接口数据。这种情况下，串行数据传输率达到300至115.2 kbps。

    Trusted Wireless™技术适合中到长距离无线传输。在允许的最大功率下，使用合适的天线时，可到达以下距离：

    • 900MHz频段，在发射功率为1W时，典型值为25公里

    • 2.4GHz频段，在发射功率为10/100 mW时，典型值为3公里

    在不同的应用中，可能会低于或高于这些值。

    6.4 结构

    最简单的安装是点对点连接，设备成对提供。安装并调好天线，设备上电后，就自动建立了无线连接，不需要进行进一步调整。

                 
                                      图5：点对点连接

   点对多点连接一样简单，只需对设备进行适当的预先配置。

                  
                                             图 6: 点多点连接

   可以使用单向和双向系统进行配置。但是这里要注意的是，点对多点连接只能单向运行。通过设置相同的设备跳跃键（Hopkey）可以任意连接到许多接收器。使用适当的模块进行扩展可以完成昂贵的广播任务。

    通过一个中继器或多个中继器可以实现长距离无线数据传输。在传输路径中，设置相应跳跃键，使之建立连接，其他数据不能集成到中继站。
 
                  
                                     图 7: 单中继器线路

                 
                                      图 8: 多中继器线路

   基于串行接口技术为运行基础的设备可以建立复杂网络。可以连接到最多具有254个从站或中继器从站的单主站系统。中继器从站首先是一个从站，但是同时可作为中继器使用。网络的另一个特点是无线模块具有漫游功能。在无线连接中，每个模块都能与相邻的模块进行通信，当无线连接因信号衰减中断时，与另一个相邻的设备建立连接，生成一条回到主站的新路径（网状网络）。

                
                                         图 9: 广播网络

                  
                                         图 10: 网状网络结构

    6.5 建立连接

   自动建立连接的条件是一条无线链路上设备具有相同的跳跃键（Hopkey），它存储在如图12所示的设备硬件组件中，它含有使用的发射频率和跳频序列等信息。当安装一个额外的接收器/中继器到现有系统上中时，这些信息是必须的。 

    为了建立最佳的连接，使用定向天线时有必要进行适当的人工干预。通过观察RSSI信号，把天线调整到最高信号水平。
  
                     
                                         图 11: 带有跳跃键的硬件组件

    6.6 安全

  可以通过协议中指定的ID验证和应用FHSS方法防止未经授权的数据访问。

   为了保证数据的完整性，可以使用前向纠错（FECForward Error Correction）恢复受损的传输线路信息，之后还要进行16位CRC校验（循环冗余码校验）。

   6.7 工业应用装置

   在封闭空间和开放空间内都可以使用Trusted Wireless™。由于有效范围较大，所以主要用于户外。在那些数据难以到达的地方，尤其在那些不能进行连接或只有花费很高才能使用数据电缆进行连接、接收和转发的地方，可以使用Trusted Wireless™ 。如污水处理站和自来水厂等开阔基础设施或化工设施。

   所有Trusted Wireless™无线产品都适用于具有易发生爆炸的领域。它们符合ATEX（爆燃性气体设备指令）第2区的要求。

   除了导轨安装外，也提供有用于开阔场地安装的室外设备。单向发射器和接收器具有适当的防风雨外壳。它们可以在低电压（85 至 250 V 交流电压或12 至30 V 直流电压）下运行。

                
                                            图 12: 成对双向

     
                            
                                           图13：串行接口
  
                       
                                  图14：户外安装

   摘自《自动化博览》2011年第十期