基于ieee802.15.4协议的工业设备状态监测网络分析与开发

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1、第一章绪论进入21世纪以来，人们对沟通的需求使无线通信技术以指数级的增长速度发展。随着Internet和移动通讯的推广，电子邮箱、数据文件和数字语音传输等服务的数据交换量不断增长，无线数据网成为无线通信领域的发展前沿。无线技术在消费电子领域的巨大成功使人们开始尝试将其应用于工业领域，它在机动性和无需线缆等方面天然的优势使其在工业应用上极具吸引力。1．1工业无线技术业无线技术概述在传统的工业自动化系统中，控制器(PLC)与其他设备(传感器，执行器)主要通过现场总线连接。传感器收集生产过程的状态信息，通过数据总线，提供给控制器，根据从传感器读取的数据，控制器决定是否采取动作以保持生产

2、过程中的某个物理参数。这样，由传感器，控制器和执行器组成了一个有线的监控回路。有线的连接方式会带来如机动性差、线缆成本高，以及线缆老化等诸多问题。近几年，随着无线通信技术的发展，无线网络技术应用于工业测控领域已经成为了一个技术热点，同时也是未来数年内工业自动化产品新的增长点。工业无线技术是一种面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，是对现有无线通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升。它不仅是有线网络技术的有效补充，而且对扩充监控范围，提高监控水平，降低监控成本起着不可替代的重要作用。国外在这个领域已开展了深入的研究，并成功推出了产品，进行了工业实际应用。例如，艾默生、西门

3、子、Honeywell等公司都有推出相关的工业无线产品，国内工业无线技术的研究和应用也已成为热点和趋势。对于现已有的无线技术，根据通信范围的大小可以将其分为四类，分别是RFID、无线个域网、无线局域网和无线广域网【11，如图1．1所示。RFID作为一种智能标签可用于工厂设备的识别和定位；无线个域网的通信速率较低，通信范围通常在几十米以内，它主要包括基于蓝牙(Bluetooth)的PicoNET网络和基于IEEE802．15．4的无线传感网络。无线局域网主要是以WIFI(IEEE802．11)为代表，其电子科技大学硕士学位论文通信范围在几十米到几百米间，用于满足高速数据传输的应用，

4、比如多媒体数据流和文件数据的传输。无线广域网主要应用于长距离的数据交换，包括WiMAX、GSM、GPRS和3G，可为用户提供语音和数据通信服务。ItFID与传统的有线测控系统相比，基于无线技术的工业测控系统在成本、安装配置、修改和扩展等方面，都具有自己的优势：1．成本低；由Venture开发公司的一项市场研究表明，在工业方面，更低的成本是用户选择采用无线技术的最主要原斟21。在采用有线技术的工厂自动化系统中，相对于在连接线上的花费，执行器和传感器反而要便宜一些。比如，研究表明，在一个化学工厂中，电缆的安装成本平均是$40每英尺($120每米)，如果是在一个核电站中，可达N5200

5、0每英尺($6000每米)【3】。据美国市场研究机构Freedonia集团统计，2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美元，而安装和使用成本(主要是布线成本)超过1000亿美元，成为阻碍工业通信技术发展的主要难题[4】。2．安装周期短；对于有线系统，由于需要进行布线工作的限制，其中包括设备布局的分析，挖沟埋线等工作，安装周期比无线系统的要长。在一个发电厂中，一根光缆的成本大概$100，000，安装它需要花费超过6个月的时间，如果使用无线网络的话，只2第一章绪论需要花费少量的光缆，安装时间在3周以内【31。3．机动性和扩展性好；在工业现场，有一些旋转或移动的设备，比如自动化

6、生产装配线上的机器臂，要对其进行控制，就需要把它上面的传感器和执行器与控制器相连，在有线系统中，由于连接线需要频繁的动作，大大增加了连接线出故障的可能，而对于无线系统则无此限制。没有连线的限制，工厂管理者可以更好的跟踪原料，也可以更容易的重新装配产品生产线，以满足客户不断变化的需求。无线技术也可以满足在传感器的放置上，尤其对于移动的设备的更高的机动性【5】。4．工作性能更强；在有线系统中，由于布线、成本等因素的限制，采用人工数据收集工作占现在监测和故障诊断系统的20％，这导致了高的劳动强度和劳动成本，低精度的数据和大量的数据处理工作【6】。是用无线技术后，由于没有了布线等限制条件

7、，可以布置更多的节点，这不仅减少了人力劳动和成本，还能得到周期性的数据，利于后继的数据分析工作。美国能源部(DOE)希望通过在工业上普遍的采用无线传感网络技术，从而提高整体的生产效率11％到18％，同时，到2010年，减少超过25％的工业废物排放。1．1．3工业无线技术研究现状在论文[7】[8]中，作者讨论了在工业自动化网络中使用无线技术面临的可靠性和实时性问题，分析了工业环境下路径损耗和信道误码等问题对无线通信的影响，并且介绍了现有可用于工业现场的几种无线通信技术，以及有线／无