工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)
導(dǎo)語(yǔ)：一定條件下，在工業(yè)自動(dòng)化方面，其要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的定位。在測(cè)量方面，特別是在底下探測(cè)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(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)論文范文，希望大家喜歡，更多內(nèi)容請(qǐng)瀏覽(www.oh100.com/bylw)。
【摘要】筆者概述了工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)方法及特征，并探討了UWB無(wú)線通信技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的運(yùn)用效果及發(fā)展的新趨勢(shì)，對(duì)指導(dǎo)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)具有一定的參與價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】工業(yè)自動(dòng)化，領(lǐng)域，無(wú)線技術(shù)
一、前言
幾年來(lái)，我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)取得了飛速發(fā)展，但依然存在一些問(wèn)題和不足需要改進(jìn)，筆者對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)存在的主要問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無(wú)線技術(shù)創(chuàng)新策略進(jìn)行研究，對(duì)加快工業(yè)自動(dòng)化推進(jìn)的步伐，具有十分重要的意義。
二、Z igbee技術(shù)特征
Z igbee是一項(xiàng)近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù), 在一定情況下，主要適用于自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域, 是為滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)與控制而制定的。Z igbee是 IEEE 802.15. 4技術(shù)的商業(yè)名子。與此同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)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(yīng)用、互聯(lián)互通測(cè)試與市場(chǎng)推廣由 Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。接著研究的問(wèn)題是Z igbee聯(lián)盟成立時(shí)間是 2001年 9月, 現(xiàn)在包括英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)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(luò)/安全層、應(yīng)用框架及高層應(yīng)用規(guī)范組成。其中IEEE 802. 15. 4負(fù)責(zé)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn); 據(jù)此開始研究Zig-bee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層的研發(fā)。 Z igbee協(xié)議棧如圖 1所示。
Z igbee技術(shù)的主要特征如下:一是功耗低。在低耗電待機(jī)條件下, 兩節(jié)普通5號(hào)干電池才可使用 6 個(gè)月以上, 這是 Zigbee支持者所特定的優(yōu)勢(shì)。二是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中速率低。只有 10~ 250 kb/s,專注于低傳輸應(yīng)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(jiǎn)單, 很大程度上降低了成本。為此，預(yù)算今年年底一個(gè) Zigbee芯片價(jià)格可能降到 3美元。四是網(wǎng)絡(luò)容量比較大。統(tǒng)計(jì)顯示，網(wǎng)絡(luò)可容納 65536個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(shí)際發(fā)射功率大小與各種不同的應(yīng)用模式確定。六是工作頻段很靈活。在一定程度上，應(yīng)用的頻段分別為2. 4GH z(全球)、868MH z( 歐洲 ) 與 915 MH z(美國(guó) ) , 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(quán)功能, 采取 AES- 128加密算法。八是誠(chéng)信可靠。采用了碰撞預(yù)防辦法, 并且，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙, 防止發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。九是時(shí)延短。 Z igbee 通信時(shí)延與從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都很短, 設(shè)備搜索時(shí)間典型值為 30 ms,設(shè)備激活時(shí)間典型值是 15 m s, 活動(dòng)設(shè)備接入時(shí)間是 15ms。在此基礎(chǔ)之上，Z igbee主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸速率不高的諸多電子設(shè)備之間, 比如：醫(yī)療護(hù)理 與工控等。其中最典型的應(yīng)用是自動(dòng)抄表系統(tǒng)。為此，當(dāng)前 GPRS/CDMA無(wú)線抄表系統(tǒng)成本相對(duì)較高, 并且還要向電信運(yùn)營(yíng)商支付一定額度的費(fèi)用, 另一種電力線聯(lián)網(wǎng) ( PLC)技術(shù)運(yùn)行則不夠穩(wěn)定。據(jù)此，比較而言, 運(yùn)用Z igbee網(wǎng)絡(luò)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(fèi)用, 另外，Z igbee網(wǎng)絡(luò)超大的容量一般可以滿足覆蓋的需求,因此 Z igbee在無(wú)線自動(dòng)抄表領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。與此同時(shí)，在井下無(wú)線監(jiān)控、工業(yè)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測(cè)、污水監(jiān)測(cè)、氣體監(jiān)測(cè)上 Zigbee也具有很大的優(yōu)勢(shì)。在特殊條件下，由于傳感器與通信技術(shù)的發(fā)展, 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (W ireless sensor networks, WSN)的概念已深入人心。 Zigbee在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用上有著無(wú)法比喻的優(yōu)勢(shì)。在一定程度上，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成、經(jīng)過(guò)無(wú)線通信方式，并且形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 為此，具有監(jiān)測(cè)高精度、高容錯(cuò)性、大覆蓋區(qū)域、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等諸多優(yōu)點(diǎn)。WSN 可應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷、惡劣環(huán)境下生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是能源的高效利用, 也就是說(shuō), 在保證正常的監(jiān)測(cè)功能的條件下, 盡可能較少的消耗節(jié)點(diǎn)的能量, 同時(shí)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。基于這一點(diǎn), 它和 Z ig-bee的設(shè)計(jì)目標(biāo)相符。其次。傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本要盡可能達(dá)到最低,并且要求很嚴(yán)格。只有這樣, 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)才可以擁有較多的節(jié)點(diǎn), 在個(gè)別節(jié)點(diǎn)無(wú)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(luò)癱瘓。第三，Z igbee網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)容納 6.5萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn), 足能保證多源數(shù)據(jù)的采集。在一定條件下，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包涵傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)與管理節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊與能量供應(yīng)模塊四部分組成, 是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng), 它兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端與路由器雙重功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。
匯聚節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò), 達(dá)到兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換, 在此基礎(chǔ)上，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù), 還要把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。為此，用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)施配置與管理, 發(fā)布監(jiān)測(cè)指令以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu), 可以應(yīng)用 Zigbee節(jié)點(diǎn)作整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn), 并且，在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，組成一個(gè) Zigbee網(wǎng)絡(luò), 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌 Zigbee協(xié)議棧, 實(shí)現(xiàn)基本的 Zigbee網(wǎng)絡(luò)功能,與此同時(shí)，把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn), 還要接受匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)其下達(dá)的任務(wù)與命令。在一定程度下，利用一個(gè)微處理器 + GPRS模塊作為匯聚節(jié)點(diǎn), 據(jù)此，用來(lái)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GPRS網(wǎng)絡(luò), 實(shí)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(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給主控制室, 并把主控端的命令解封裝, 然后，傳達(dá)給傳感器節(jié)點(diǎn)。在用戶端接一個(gè) GPRS模塊與 PC機(jī)服務(wù)器做硬件平臺(tái), 軟件包含數(shù)據(jù)庫(kù)等,在這一過(guò)程中，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析, 同時(shí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。在特定情況下，Z igbee自身的特點(diǎn)決定了它只能應(yīng)用在短距低速的條件下, 在工業(yè)監(jiān)測(cè)中, 必須注意工作流程，有很多時(shí)間需要的是實(shí)時(shí)的圖像, 這就必須有高速的數(shù)據(jù)傳輸率, 因而, 在這一點(diǎn)上, Zigbee有著致命的缺點(diǎn)。UWB技術(shù)的出現(xiàn)使這種運(yùn)用需求成為了可能。
三、UWB無(wú)線通信技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的運(yùn)用效果
1. UWB無(wú)線通信技術(shù)分析。
在特定條件下，UWB無(wú)線通信技術(shù)是一項(xiàng)采取時(shí)間間隔極短的脈，而不用載波的通信方法。同時(shí)，具備以下優(yōu)勢(shì)：一是具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這主要是這一技術(shù)的自身特征，在一定情況下，此技術(shù)的所有頻段和當(dāng)前我國(guó)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(hào)，它發(fā)射的無(wú)線電脈沖信號(hào)不但很微弱，并且所輸出的功率也相對(duì)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(shí)可能高達(dá)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(shí)不能采用載波，同時(shí)，只在脈沖發(fā)射時(shí)消耗很低的能量;三是具有較高的安全功能，就有線技術(shù)相對(duì)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(shù)。在一定程度下，基于此技術(shù)中融入了跳時(shí)擴(kuò)頻技術(shù)方法，因而信息數(shù)據(jù)接收設(shè)備，只有在知道發(fā)送端擴(kuò)頻碼的前提條件下，對(duì)發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，同時(shí)，發(fā)射功率譜密度較低，通常的信數(shù)據(jù)接收設(shè)備是不會(huì)接收的，為此，顯現(xiàn)其安全功能;四是定位優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，一定條件下，穿透性能很強(qiáng)。因此其具備比較精確的定位性能，精準(zhǔn)度能高達(dá)10米左右，為此，這也是別的通信技術(shù)無(wú)法可比的優(yōu)勢(shì)。五是具有較強(qiáng)的多徑分辨功能，和一般無(wú)線通信技術(shù)比較，一定程度下，它的多徑傳播效應(yīng)的通信質(zhì)量與數(shù)據(jù)的傳輸速度很大程度的增強(qiáng)。
2. UWB無(wú)線通信技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的運(yùn)用。
從UWB無(wú)線通信技術(shù)用途的起源進(jìn)行分析，剛開始時(shí)主要用在軍事方面的雷達(dá)領(lǐng)域，一定條件下，用來(lái)開發(fā)軍事雷達(dá)科技。從2005年3月開始，UWB技術(shù)被美國(guó)批準(zhǔn)可以在非軍事領(lǐng)域運(yùn)用，從此UWB技術(shù)才得到了新的突破，通過(guò)科學(xué)發(fā)明，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。從UWB技術(shù)進(jìn)行分析，一定條件下，它說(shuō)具有的傳輸速率很高，為此，在工業(yè)自動(dòng)化方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。一定條件下，在工業(yè)自動(dòng)化方面，其要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的定位。在測(cè)量方面，特別是在底下探測(cè)方面，具有十分廣闊的發(fā)展前景。在一定條件下，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)圖像與聲音的傳輸，這么高精度的數(shù)據(jù)量傳輸，在當(dāng)前現(xiàn)有的無(wú)線技術(shù)中是難以實(shí)現(xiàn)的。為此，在這一通信技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，要在攝像頭端安裝微型處理器，一定程度下，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單壓縮并處理實(shí)時(shí)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(wú)線通信技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)傳送到數(shù)米開外的中心控制室。
四、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)新時(shí)期下，通過(guò)對(duì)Z igbee技術(shù)存在的問(wèn)題分析，進(jìn)一步明確了Z igbee技術(shù)與UWB技術(shù)是時(shí)下無(wú)線通信市場(chǎng)的最流行的技術(shù)之一, 是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分,為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的優(yōu)化完善奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，無(wú)線技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。其有助于提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和效益。
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