工業(yè)自動化領域中的無線技術
導語：一定條件下，在工業(yè)自動化方面，其要求對數(shù)據(jù)進行精確的定位。在測量方面，特別是在底下探測方面，具有十分廣闊的發(fā)展前景。以下是小編為大家整理的工業(yè)自動化領域中的無線技術論文范文，希望大家喜歡，更多內(nèi)容請瀏覽(www.oh100.com/bylw)。
【摘要】筆者概述了工業(yè)自動化領域中的無線技術方法及特征，并探討了UWB無線通信技術在工業(yè)自動化領域中的運用效果及發(fā)展的新趨勢，對指導工業(yè)自動化領域中的無線技術具有一定的參與價值。
【關鍵詞】工業(yè)自動化，領域，無線技術
一、前言
幾年來，我國工業(yè)自動化領域中的無線技術取得了飛速發(fā)展，但依然存在一些問題和不足需要改進，筆者對工業(yè)自動化領域中的無線技術存在的主要問題進行分析，對工業(yè)自動化領域中的無線技術創(chuàng)新策略進行研究，對加快工業(yè)自動化推進的步伐，具有十分重要的意義。
二、Z igbee技術特征
Z igbee是一項近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術, 在一定情況下，主要適用于自動控制與遠程控制領域, 是為滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)與控制而制定的。Z igbee是 IEEE 802.15. 4技術的商業(yè)名子。與此同時，這項技術的核心協(xié)議由 2005年 12月成立的 IEEE 802. 15. 4工作組研究制定的, 但是，高層應用、互聯(lián)互通測試與市場推廣由 Zigbee聯(lián)盟負責。接著研究的問題是Z igbee聯(lián)盟成立時間是 2001年 9月, 現(xiàn)在包括英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司等在內(nèi)的百余家知名企業(yè)。在一定程度上，Z igbee的協(xié)議主要是由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡/安全層、應用框架及高層應用規(guī)范組成。其中IEEE 802. 15. 4負責物理層與數(shù)據(jù)鏈路層標準; 據(jù)此開始研究Zig-bee聯(lián)盟負責網(wǎng)絡層與應用層的研發(fā)。 Z igbee協(xié)議棧如圖 1所示。
Z igbee技術的主要特征如下:一是功耗低。在低耗電待機條件下, 兩節(jié)普通5號干電池才可使用 6 個月以上, 這是 Zigbee支持者所特定的優(yōu)勢。二是數(shù)據(jù)傳輸過程中速率低。只有 10~ 250 kb/s,專注于低傳輸應用。三是成本比較低。 Z igbee 數(shù)據(jù)傳輸速率比較低, 而且協(xié)議簡單, 很大程度上降低了成本。為此，預算今年年底一個 Zigbee芯片價格可能降到 3美元。四是網(wǎng)絡容量比較大。統(tǒng)計顯示，網(wǎng)絡可容納 65536個節(jié)點。五是有效范圍比較小。有效覆蓋范圍在10~ 75 m之間, 在一定情況下，要具體根據(jù)實際發(fā)射功率大小與各種不同的應用模式確定。六是工作頻段很靈活。在一定程度上，應用的頻段分別為2. 4GH z(全球)、868MH z( 歐洲 ) 與 915 MH z(美國 ) , 都是免執(zhí)照頻段。七是安全適用。 Z igBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查與鑒權功能, 采取 AES- 128加密算法。八是誠信可靠。采用了碰撞預防辦法, 并且，為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙, 防止發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。九是時延短。 Z igbee 通信時延與從休眠狀態(tài)激活的時延都很短, 設備搜索時間典型值為 30 ms,設備激活時間典型值是 15 m s, 活動設備接入時間是 15ms。在此基礎之上，Z igbee主要應用于數(shù)據(jù)傳輸速率不高的諸多電子設備之間, 比如：醫(yī)療護理 與工控等。其中最典型的應用是自動抄表系統(tǒng)。為此，當前 GPRS/CDMA無線抄表系統(tǒng)成本相對較高, 并且還要向電信運營商支付一定額度的費用, 另一種電力線聯(lián)網(wǎng) ( PLC)技術運行則不夠穩(wěn)定。據(jù)此，比較而言, 運用Z igbee網(wǎng)絡的抄表系統(tǒng)由電力局自行建網(wǎng), 在一定程度下，不需要交納額外的費用, 另外，Z igbee網(wǎng)絡超大的容量一般可以滿足覆蓋的需求,因此 Z igbee在無線自動抄表領域具有廣闊的發(fā)展前景。與此同時，在井下無線監(jiān)控、工業(yè)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測、污水監(jiān)測、氣體監(jiān)測上 Zigbee也具有很大的優(yōu)勢。在特殊條件下，由于傳感器與通信技術的發(fā)展, 無線傳感器網(wǎng)絡 (W ireless sensor networks, WSN)的概念已深入人心。 Zigbee在無線傳感器網(wǎng)絡的運用上有著無法比喻的優(yōu)勢。在一定程度上，無線傳感器網(wǎng)絡也是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點構成、經(jīng)過無線通信方式，并且形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng), 為此，具有監(jiān)測高精度、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等諸多優(yōu)點。WSN 可應用于工業(yè)自動化系統(tǒng)、設備故障診斷、惡劣環(huán)境下生產(chǎn)過程監(jiān)控等。同時，無線傳感器網(wǎng)絡設計的首要目標是能源的高效利用, 也就是說, 在保證正常的監(jiān)測功能的條件下, 盡可能較少的消耗節(jié)點的能量, 同時，延長網(wǎng)絡的生命周期�；谶@一點, 它和 Z ig-bee的設計目標相符。其次。傳感器網(wǎng)絡嚴格要求每個節(jié)點的成本要盡可能達到最低,并且要求很嚴格。只有這樣, 一個網(wǎng)絡才可以擁有較多的節(jié)點, 在個別節(jié)點無效的條件下，可以迅速的重新規(guī)劃確定路由, 從而，不致于使網(wǎng)絡癱瘓。第三，Z igbee網(wǎng)絡可以同時容納 6.5萬多個節(jié)點, 足能保證多源數(shù)據(jù)的采集。在一定條件下，一個傳感器網(wǎng)絡通常包涵傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點與管理節(jié)點。同時，傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊與能量供應模塊四部分組成, 是一個微型的嵌入式系統(tǒng), 它兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端與路由器雙重功能。傳感器網(wǎng)絡的體系結構見圖 2。
匯聚節(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡, 達到兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換, 在此基礎上，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務, 還要把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡上。為此，用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡實施配置與管理, 發(fā)布監(jiān)測指令以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，針對傳感器網(wǎng)絡的組成結構, 可以應用 Zigbee節(jié)點作整個網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點, 并且，在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，組成一個 Zigbee網(wǎng)絡, 每個傳感器節(jié)點內(nèi)嵌 Zigbee協(xié)議棧, 實現(xiàn)基本的 Zigbee網(wǎng)絡功能,與此同時，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點, 還要接受匯聚節(jié)點對其下達的任務與命令。在一定程度下，利用一個微處理器 + GPRS模塊作為匯聚節(jié)點, 據(jù)此，用來連接傳感器網(wǎng)絡和 GPRS網(wǎng)絡, 實現(xiàn) TCP/UD P等協(xié)議, 把數(shù)據(jù)打包封裝成幀, 在一定條件下，通過 GPRS網(wǎng)絡傳遞給主控制室, 并把主控端的命令解封裝, 然后，傳達給傳感器節(jié)點。在用戶端接一個 GPRS模塊與 PC機服務器做硬件平臺, 軟件包含數(shù)據(jù)庫等,在這一過程中，對收到的數(shù)據(jù)進行認真分析, 同時對整個網(wǎng)絡進行管理。在特定情況下，Z igbee自身的特點決定了它只能應用在短距低速的條件下, 在工業(yè)監(jiān)測中, 必須注意工作流程，有很多時間需要的是實時的圖像, 這就必須有高速的數(shù)據(jù)傳輸率, 因而, 在這一點上, Zigbee有著致命的缺點。UWB技術的出現(xiàn)使這種運用需求成為了可能。
三、UWB無線通信技術在工業(yè)自動化領域中的運用效果
1. UWB無線通信技術分析。
在特定條件下，UWB無線通信技術是一項采取時間間隔極短的脈，而不用載波的通信方法。同時，具備以下優(yōu)勢：一是具有很強的抗干擾能力，這主要是這一技術的自身特征，在一定情況下，此技術的所有頻段和當前我國通信系統(tǒng)，所采取頻段之間各自安好且互不干擾。在特定情況下，一旦發(fā)射信號，它發(fā)射的無線電脈沖信號不但很微弱，并且所輸出的功率也相對比較低;二是具有傳輸速率高、能耗低的特征，和Zigbee相比較，一定情況下，它的傳輸速率比Zigbee要高得多，最高時可能高達幾百兆字節(jié)每秒，并且能耗很低，這主要是由于其發(fā)射時不能采用載波，同時，只在脈沖發(fā)射時消耗很低的能量;三是具有較高的安全功能，就有線技術相對比而言，不論是安全性或者是穩(wěn)定性都大于有線通信技術。在一定程度下，基于此技術中融入了跳時擴頻技術方法，因而信息數(shù)據(jù)接收設備，只有在知道發(fā)送端擴頻碼的前提條件下，對發(fā)射的數(shù)據(jù)進行接收，同時，發(fā)射功率譜密度較低，通常的信數(shù)據(jù)接收設備是不會接收的，為此，顯現(xiàn)其安全功能;四是定位優(yōu)點比較，這主要是由于這樣系統(tǒng)本身具備的良好定位優(yōu)點，一定條件下，穿透性能很強。因此其具備比較精確的定位性能，精準度能高達10米左右，為此，這也是別的通信技術無法可比的優(yōu)勢。五是具有較強的多徑分辨功能，和一般無線通信技術比較，一定程度下，它的多徑傳播效應的通信質(zhì)量與數(shù)據(jù)的傳輸速度很大程度的增強。
2. UWB無線通信技術在工業(yè)自動化領域中的運用。
從UWB無線通信技術用途的起源進行分析，剛開始時主要用在軍事方面的雷達領域，一定條件下，用來開發(fā)軍事雷達科技。從2005年3月開始，UWB技術被美國批準可以在非軍事領域運用，從此UWB技術才得到了新的突破，通過科學發(fā)明，得到越來越廣泛的應用。從UWB技術進行分析，一定條件下，它說具有的傳輸速率很高，為此，在工業(yè)自動化方面具有明顯的優(yōu)點，得到了廣泛的應用。一定條件下，在工業(yè)自動化方面，其要求對數(shù)據(jù)進行精確的定位。在測量方面，特別是在底下探測方面，具有十分廣闊的發(fā)展前景。在一定條件下，這種技術能夠?qū)崿F(xiàn)實時圖像與聲音的傳輸，這么高精度的數(shù)據(jù)量傳輸，在當前現(xiàn)有的無線技術中是難以實現(xiàn)的。為此，在這一通信技術的實際運用過程中，要在攝像頭端安裝微型處理器，一定程度下，經(jīng)過簡單壓縮并處理實時傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)，就能使數(shù)據(jù)傳輸速率降到幾十兆字節(jié)每秒，從而，最后利用UWB無線通信技術，將圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)米開外的中心控制室。
四、結束語
通過對新時期下，通過對Z igbee技術存在的問題分析，進一步明確了Z igbee技術與UWB技術是時下無線通信市場的最流行的技術之一, 是無線網(wǎng)絡重要的組成部分,為無線網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的優(yōu)化完善奠定了堅實基礎，無線技術具有廣闊的應用發(fā)展前景。其有助于提高企業(yè)的競爭力和效益。
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