沈序建，周 焱

(電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610054)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線技術(shù)綜述

沈序建，周 焱

(電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610054)

無(wú)線技術(shù)在工廠企業(yè)級(jí)得到了廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)使用無(wú)線技術(shù)完全或者部分代替線纜也是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。該文主要討論了在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替有線的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)所產(chǎn)生的問(wèn)題。分析了現(xiàn)有的3種無(wú)線協(xié)議用于工廠現(xiàn)場(chǎng)級(jí)所面臨的實(shí)時(shí)性和可靠性相關(guān)問(wèn)題，并探討了現(xiàn)階段無(wú)線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用上的發(fā)展方向。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí); 工業(yè)無(wú)線; 實(shí)時(shí)性; 可靠性

無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展使其在消費(fèi)電子業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。工業(yè)方面，在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，無(wú)線通信和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)也已經(jīng)在工廠企業(yè)級(jí)得到了廣泛的使用，為工廠的運(yùn)作提供了更高的效率。同時(shí)，射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)也作為電子標(biāo)簽在工廠的財(cái)產(chǎn)跟蹤和物體識(shí)別方面有大量的使用。盡管如此，在工廠現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依然是基于有線連接的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，如PROFIBUS、WorldFIP和CAN總線。本文主要討論在工廠現(xiàn)場(chǎng)級(jí)使用無(wú)線技術(shù)代替有線技術(shù)所面臨的可靠性和實(shí)時(shí)性方面的問(wèn)題。

1 工業(yè)現(xiàn)狀介紹

在圖1所示的傳統(tǒng)的工廠控制系統(tǒng)中，控制器(PLC)與其他設(shè)備如(如傳感器、執(zhí)行器、交換機(jī))通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接。傳感器收集一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)信息，通過(guò)總線，提供給一個(gè)控制器。根據(jù)從傳感器讀取的數(shù)據(jù)，控制器決定是否采取動(dòng)作以保持生產(chǎn)過(guò)程中的某個(gè)物理參數(shù)。這樣，由傳感器、控制

器和執(zhí)行器組成了一個(gè)控制回路，一個(gè)控制器中可以有多個(gè)這樣的控制任務(wù)，用戶(hù)可以通過(guò)工作站對(duì)控制器進(jìn)行編程設(shè)置。這些系統(tǒng)的主要目的是為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供可靠的、實(shí)時(shí)的通信服務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)有以下3點(diǎn)重要特征[1]：(1) 周期性信息較多，主要是測(cè)量和控制信息。(2) 非周期性信息較少，主要是用戶(hù)操作指令、組態(tài)信息和報(bào)警等。(3) 信息長(zhǎng)度較小，通常只有幾個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議都只包括了OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

圖1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在工業(yè)應(yīng)用中，由于地域分散性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的信息交互是通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了達(dá)到控制與監(jiān)控等任務(wù)的要求，信息交互必須在一定的通信延遲時(shí)間內(nèi)完成，即必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性以及可靠性要求。工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很大程度上依賴(lài)于特定的應(yīng)用。一個(gè)事件發(fā)生后，系統(tǒng)必須在一個(gè)可準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)的時(shí)間范圍內(nèi)做出響應(yīng)。根據(jù)不同的需求，主要可分為3類(lèi)[2]：(1) 響應(yīng)時(shí)間為100 ms左右，主要針對(duì)有操作人員參與的控制系統(tǒng)，輔助操作人員對(duì)機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。(2) 響應(yīng)時(shí)間小于10 ms，這是基于可編程控制器(PLC)或PC的機(jī)械控制系統(tǒng)的需求。(3) 響應(yīng)時(shí)間小于1 ms，這是針對(duì)多軸協(xié)同動(dòng)態(tài)高速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

2 有線技術(shù)與無(wú)線技術(shù)的比較

目前，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，以及高計(jì)算能力、低功耗、低成本芯片的推出，再加上微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展使傳感器更微型、更精確。這些有利條件，都使在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為可能[3]。圖2為使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 使用無(wú)線技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

基于無(wú)線技術(shù)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測(cè)控系統(tǒng)相比，具有以下一些特點(diǎn)：

(1) 成本更低。由Venture開(kāi)發(fā)公司的一項(xiàng)市場(chǎng)研究表明，在工業(yè)方面，更低的成本是用戶(hù)選擇采用無(wú)線技術(shù)的最主要原因。在采用有線技術(shù)的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，相對(duì)于在連接線上的花費(fèi)，執(zhí)行器和傳感器的費(fèi)用反而要便宜一些。如研究表明，在一個(gè)化學(xué)工廠中，電纜的安裝成本平均是$40/英尺($120/m)，如果是在一個(gè)核電站中，可達(dá)到$2000/英尺($6 000/m)[4]。據(jù)美國(guó)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Freedonia集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，2001年全球工業(yè)用傳感器的市場(chǎng)份額是110億美元，而安裝和使用成本(主要是布線成本)超過(guò)1 000億美元，成為阻礙工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的主要難題[5]。

(2) 安裝周期短。對(duì)于有線系統(tǒng)，由于需要進(jìn)行布線工作，包括設(shè)備布局的分析，挖溝埋線等工作，安裝周期比無(wú)線系統(tǒng)長(zhǎng)。在一個(gè)發(fā)電廠中，一根光纜的成本大概是$100 000，安裝它耗時(shí)超過(guò)6個(gè)月，如果使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的話(huà)，只需要花費(fèi)少量的光纜，安裝完成時(shí)間在3周以?xún)?nèi)[4]。

(3) 更高的機(jī)動(dòng)性和擴(kuò)展性。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，有一些旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的設(shè)備，如自動(dòng)化生產(chǎn)裝配線上的機(jī)器臂，要對(duì)其進(jìn)行控制，就需要把它上面的傳感器和執(zhí)行器與控制器相連。在有線系統(tǒng)中，由于連接線需要頻繁地動(dòng)作，大大增加了連接線出故障的可能，而對(duì)于無(wú)線系統(tǒng)則無(wú)此可能。沒(méi)有連線的限制，工廠管理者可以更好地跟蹤原料，也可以更容易地重新裝配產(chǎn)品生產(chǎn)線，以滿(mǎn)足客戶(hù)不斷變化的需求。無(wú)線技術(shù)也可以滿(mǎn)足傳感器的放置，尤其對(duì)于移動(dòng)設(shè)備的更高的機(jī)動(dòng)性[6]。

(4) 工作性能更好。在有線系統(tǒng)中，由于布線、成本等因素的限制，采用人工數(shù)據(jù)收集工作占現(xiàn)在監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的20%，這導(dǎo)致了高的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)成本，低精度的數(shù)據(jù)和大量的數(shù)據(jù)處理工作[7]。采用無(wú)線技術(shù)后，由于沒(méi)有了布線等限制條件，可以布置更多的節(jié)點(diǎn)，這不僅減少了人力勞動(dòng)和成本，還能得到周期性的數(shù)據(jù)，利于后繼的數(shù)據(jù)分析工作。美國(guó)能源部(DOE)希望通過(guò)在工業(yè)上普遍采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而提高整體的生產(chǎn)效率11%～18%，而且，到2010年，減少超過(guò)25%的工業(yè)廢物排放。

3 無(wú)線技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)面臨的問(wèn)題

盡管有經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)無(wú)線技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的應(yīng)用仍然存在著懷疑，特別是在實(shí)時(shí)系統(tǒng)方面。與有線通信系統(tǒng)相比，無(wú)線通信具有更嚴(yán)重的路徑損耗，不支持全雙工通信，物理層開(kāi)銷(xiāo)更大，信道誤碼發(fā)生的可能性更高等特點(diǎn)。

3.1 使用無(wú)線傳輸介質(zhì)產(chǎn)生的問(wèn)題(協(xié)議無(wú)關(guān))

3.1.1 路徑損耗(path loss)

3.1.2 信道誤碼(channel errors)

一個(gè)無(wú)線信號(hào)發(fā)生器工作時(shí)，同時(shí)向空間的不同方向發(fā)射微波信號(hào)，這些微波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射、衍射和散射，所以在接受器一端會(huì)收到同一個(gè)信號(hào)的多個(gè)副本。根據(jù)不同副本間接收時(shí)間的長(zhǎng)短，主要可分為兩種情況：(1) 當(dāng)時(shí)間彌散(time dispersion)比較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多徑衰減(multipath fading)，包括相長(zhǎng)干涉(constructive interference)和相消干涉(destructive interference)，導(dǎo)致接受的信號(hào)強(qiáng)度快速地波動(dòng)起伏，接收器進(jìn)行解碼時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多誤碼。(2) 當(dāng)時(shí)間彌散比較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生碼間干擾(intersymbol interference)，也會(huì)產(chǎn)生誤碼的情況；同時(shí)，還可能產(chǎn)生共信道干擾(cochannel interference)、鄰信道干擾(adjacent channel interference)，以及受環(huán)境噪音的影響。這些現(xiàn)象都可能導(dǎo)致位錯(cuò)誤和包丟失或者包傳輸?shù)难舆t。

3.1.3 物理層開(kāi)銷(xiāo)(physical layer overheads)

為了使接收器和發(fā)送器的信號(hào)位同步，需要在數(shù)據(jù)包里包含訓(xùn)練序列(training sequences)，使用無(wú)線通信介質(zhì)的開(kāi)銷(xiāo)比使用有線的大。

3.2 與傳輸機(jī)制相關(guān)的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，按照對(duì)時(shí)間確定性的支持，現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)采用事件觸發(fā)方式，主要為載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA), 代表性的協(xié)議有以太網(wǎng)和CAN；另一類(lèi)采用時(shí)間觸發(fā)方式，通常采用令牌方式，直接支持時(shí)間確定性，代表性的協(xié)議有PROFIBUS、FF和WorldFIP等。這兩種方式在無(wú)線技術(shù)中都面臨著一些問(wèn)題。

3.2.1 令牌傳送(token-passing)協(xié)議相關(guān)問(wèn)題

一些現(xiàn)場(chǎng)總線，如PROFIBUS采用分布式的令牌總線結(jié)構(gòu)，接到總線上的主站邏輯上形成了一個(gè)封閉的環(huán)，邏輯環(huán)中令牌按照主站點(diǎn)地址升序的方式依次傳遞，傳遞到最高地址后又能傳回到最低地址。持有令牌的主站在一定時(shí)間內(nèi)得到總線控制權(quán)。得到令牌的主站向環(huán)中的其他站點(diǎn)發(fā)出控制信息或讀取狀態(tài)信息，其通信時(shí)間是可預(yù)測(cè)的。主站執(zhí)行完本站的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)后把總線控制權(quán)(令牌)向下傳遞，使令牌在邏輯環(huán)中周而復(fù)始地輪轉(zhuǎn)起來(lái)[9]。在令牌總線結(jié)構(gòu)中，令牌的重復(fù)丟失對(duì)邏輯環(huán)的穩(wěn)定性是一個(gè)重要的問(wèn)題，當(dāng)站點(diǎn)A嘗試向站點(diǎn)B傳遞令牌失敗時(shí)，站點(diǎn)A會(huì)立即進(jìn)行重傳。如果A與B之間的通信介質(zhì)為無(wú)線，并且A與B之間的無(wú)線信道正處于強(qiáng)衰落(deep fade)情況并將持續(xù)一段時(shí)間，就可能導(dǎo)致令牌傳遞失敗，進(jìn)而導(dǎo)致站點(diǎn)B被邏輯環(huán)丟失。

3.2.2 基于載波監(jiān)聽(tīng)(CSMA)協(xié)議相關(guān)問(wèn)題

一些現(xiàn)場(chǎng)總線，如基于載波監(jiān)聽(tīng)的CAN總線，當(dāng)連接在總線上的一個(gè)站點(diǎn)A準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先對(duì)傳輸介質(zhì)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，如果傳輸介質(zhì)是空閑的，站點(diǎn)A就可以立即進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。如果傳輸介質(zhì)正被占用，則不同的協(xié)議有不同的策略。對(duì)于CAN總線，如果一個(gè)站點(diǎn)A希望發(fā)送數(shù)據(jù)，它會(huì)一直監(jiān)聽(tīng)信道，一旦發(fā)現(xiàn)正在傳送的數(shù)據(jù)報(bào)傳送完畢，它立即啟動(dòng)自己數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)生。因此，在這種情況下，另外一個(gè)站點(diǎn)B也可能同時(shí)做出以上操作，就會(huì)導(dǎo)致沖突發(fā)生。基于有線技術(shù)的CAN總線協(xié)議使用一種確定性機(jī)制解決這種競(jìng)爭(zhēng)。但是，這種機(jī)制是很難在無(wú)線介質(zhì)中使用的，因?yàn)樗且蕾?lài)于站點(diǎn)可以同時(shí)在同一信道收發(fā)數(shù)據(jù)的能力，而這個(gè)能力對(duì)于半雙工的無(wú)線收發(fā)器是不可能的。

無(wú)線收發(fā)器需要有一個(gè)最小接受信號(hào)強(qiáng)度，以便能成功地解碼和進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)。由于路徑損耗效應(yīng)的存在，這就限定了一對(duì)無(wú)線信號(hào)收發(fā)器間的通信范圍是有限的。相應(yīng)地，這會(huì)導(dǎo)致載波監(jiān)聽(tīng)的失敗，產(chǎn)生隱藏終端的問(wèn)題(hidden terminal problem)[10]。

圖3 隱藏終端問(wèn)題示意圖

如圖3所示，在網(wǎng)絡(luò)中有站點(diǎn)A、B和C，由于距離的原因，A和C不能偵聽(tīng)到對(duì)方是否在發(fā)生信號(hào)。但是，站點(diǎn)B在A、C之間，能夠接收A和C的傳輸信號(hào)。如果站點(diǎn)A正在發(fā)送數(shù)據(jù)給站點(diǎn)B，同時(shí)，站點(diǎn)C也想發(fā)送數(shù)據(jù)給B，C會(huì)對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，發(fā)現(xiàn)信道是空閑的，站點(diǎn)C也開(kāi)始發(fā)生數(shù)據(jù)給B。而對(duì)于站點(diǎn)B，A和C同時(shí)發(fā)生的信息導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)的沖突。

4 現(xiàn)有的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)

目前無(wú)線技術(shù)多種多樣，根據(jù)其通信范圍，主要分為無(wú)線廣域網(wǎng)(WAN)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)。廣域網(wǎng)的范圍大概為幾千米到幾千千米，如GSM、CDMA；局域網(wǎng)的范圍為幾十米到幾千米，如WiFi；個(gè)域網(wǎng)范圍為幾米到近百米，如藍(lán)牙、ZigBee。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的應(yīng)用，在已有的無(wú)線通信協(xié)議中，適用的主要包括IEEE 802.11、IEEE 802.15.1和IEEE 802.15.4。下面主要對(duì)這3種協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

4.1 IEEE 802.11

IEEE 802.11是一個(gè)系列無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要定義了網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層。其設(shè)計(jì)目的是為設(shè)備之間提供具有較高吞吐量的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接，包括物理層的IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。IEEE 802.11a工作頻段為5 GHz，采用多載波正交頻分多路復(fù)用(OFDM)技術(shù)。IEEE 802.11b和IEEE 802.11g都工作于2.4 GHz的ISM頻段，采用直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)。其中，IEEE 802.11g兼容IEEE 802.11b和IEEE 802.11a的調(diào)制、編碼方式。在使用以上3種標(biāo)準(zhǔn)傳輸面向工業(yè)應(yīng)用需求的60 B短報(bào)文時(shí)，用戶(hù)實(shí)際的最大傳輸速率分別為2.6 Mb/s，0.75 Mb/s和2 Mb/s[11]。從以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)有效載荷比較小時(shí)，吞吐量顯著地減小了。與藍(lán)牙和IEEE 802.15.4相比，IEEE 802.11更適合于傳輸較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)文件。

4.2 IEEE 802.15.1(藍(lán)牙)

藍(lán)牙技術(shù)利用短距離、低成本的無(wú)線連接替代電纜連接，它工作于2.4 GHz的ISM頻段。在物理層，藍(lán)牙技術(shù)采用高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方式，通信速率為1 Mb/s。藍(lán)牙設(shè)備之間的有效通信距離大約為10～100 m。

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)采用微網(wǎng)(piconet)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主設(shè)備協(xié)調(diào)最多7個(gè)從設(shè)備間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，從設(shè)備間的通信必須通過(guò)主設(shè)備。針對(duì)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，多個(gè)微網(wǎng)可構(gòu)成一個(gè)分散網(wǎng)(scatternet)。微網(wǎng)采用時(shí)分多址(TDMA)的信道接入方式，主設(shè)備在奇數(shù)號(hào)的時(shí)間片(每個(gè)時(shí)間片625 μs)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)和輪詢(xún)請(qǐng)求，從設(shè)備在偶數(shù)號(hào)的時(shí)間片內(nèi)響應(yīng)輪詢(xún)請(qǐng)求，發(fā)送數(shù)據(jù)。為了避免網(wǎng)間的通信沖突，微網(wǎng)在79個(gè)帶寬為1 MHz的信道間實(shí)施跳頻通信，最大頻率是1.6 kHz，跳頻順序由主設(shè)備決定。

4.3 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的目的是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備建立低成本、低功耗的雙向無(wú)線通信鏈路。相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)和IEEE 802.11協(xié)議，IEEE 802.15.4更適合于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間通信負(fù)載較低的應(yīng)用。為了得到更廣泛的應(yīng)用，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了2.4 GHz、915 MHz(北美)和868 MHz(歐洲)3個(gè)工作頻帶，并使用DSSS解決共享頻帶的抗干擾問(wèn)題。在2.4 GHz頻段，包含了16個(gè)信道，最大速率為250 kb/s；在915 MHz頻段，包含了10個(gè)信道，最大傳輸速率為40 kb/s；在868 MHz頻段，包含了1個(gè)信道，最大傳輸速率為20 kb/s。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC層信道接入方式有兩種不同的模式。一種是unbeaconed模式，它采用CSMA方式競(jìng)爭(zhēng)信道，并采用回退(backoff)策略避免沖突；另一種是beaconed模式，它采用超幀(superframe)結(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)生beacon啟動(dòng)超幀，周期為15.36 ms～251.65 s之間。超幀首先進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期，RFD以CSMA/CA的方式競(jìng)爭(zhēng)信道。此后，進(jìn)入非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期，由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以輪詢(xún)的方式為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的RFD分配固定的信道訪問(wèn)時(shí)間。最后進(jìn)入非活躍期，包括協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。

4.4 三種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的總結(jié)

在以上3種標(biāo)準(zhǔn)中，IEEE802.11和IEEE 802.15.4在MAC層都涉及到了基于CSMA/CA的信道訪問(wèn)方式。針對(duì)前文由CSMA帶來(lái)的兩個(gè)問(wèn)題，前者可采取使用額外的機(jī)制來(lái)解決。如在IEEE 802.15.4中的回退(backoff)機(jī)制，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑時(shí)，并不馬上進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，而是等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，以減少發(fā)生碰撞的概率，這實(shí)質(zhì)上是通過(guò)犧牲網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。對(duì)于隱藏終端問(wèn)題，IEEE 802.11是采用RTS/CTS握手協(xié)議來(lái)解決的[10]。如果站點(diǎn)A要向站點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送一個(gè)RTS(request-to-send)數(shù)據(jù)報(bào)，站點(diǎn)B收到后回答一個(gè)CTS(clear-to-send)數(shù)據(jù)報(bào)，A收到后才開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，其他站點(diǎn)在沒(méi)有收到針對(duì)它的CTS時(shí)，應(yīng)保持安靜。但這也帶來(lái)新的問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)報(bào)都是很短的，一般只有幾個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，僅僅比RTS/CTS數(shù)據(jù)報(bào)大一點(diǎn)。每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)信息，還需要額外發(fā)送幾個(gè)用于通信控制的RTS/CTS數(shù)據(jù)報(bào)，這就意味著成倍增加了系統(tǒng)通信負(fù)擔(dān)。

從網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性方面考察，在采用以上3種標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線系統(tǒng)中，由于路徑損耗或信道誤碼等原因引起的數(shù)據(jù)報(bào)重發(fā)、信道沖突，使它們數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間是不確定的。在文獻(xiàn)[12]中，在工業(yè)環(huán)境下，對(duì)支持IEEE 802.11b協(xié)議的芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，一般情況下數(shù)據(jù)報(bào)丟失率至少超過(guò)10%，而當(dāng)發(fā)生信道沖突時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)丟失率可能達(dá)到80%，高的數(shù)據(jù)報(bào)丟失率必然導(dǎo)致高的延遲時(shí)間。對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)，由于每個(gè)時(shí)間片為625 μs，所以主設(shè)備和從設(shè)備進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換的理論時(shí)間至少為1.25 ms，而在實(shí)際使用中，所需時(shí)間要大得多。在文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)中，在最優(yōu)的情況下，沒(méi)有外部干擾，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的延遲時(shí)間在20～80 ms之間。對(duì)于IEEE802.15.4，在文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)中，在無(wú)干擾的情況下，一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和三個(gè)子節(jié)點(diǎn)，采取輪詢(xún)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，交換一組數(shù)據(jù)所需時(shí)間在15～20 ms之間，而在有干擾的情況下，這個(gè)時(shí)間可增加到30 ms以上。可以看出，這三種無(wú)線技術(shù)都無(wú)法完全滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

現(xiàn)有的無(wú)線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還無(wú)法完全解決無(wú)線技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)中面臨的可靠性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題。同時(shí)，從企業(yè)決策者的角度考慮，在工業(yè)無(wú)線技術(shù)完全成熟前，他們不愿意放棄原有成熟穩(wěn)定的有線技術(shù)，冒險(xiǎn)花費(fèi)大量投資用于使用工業(yè)無(wú)線技術(shù)[15]。盡管面臨這些技術(shù)和非技術(shù)上的阻礙，現(xiàn)在的工業(yè)無(wú)線技術(shù)仍然有它適用的空間。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中，有一些包括報(bào)警或監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的應(yīng)用，如對(duì)有危險(xiǎn)或者難以接近的地方的監(jiān)測(cè)，工業(yè)無(wú)線技術(shù)應(yīng)該首先應(yīng)用于這些方面，而不是對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求嚴(yán)格的控制系統(tǒng)。工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)要完全取代現(xiàn)有的有線通信技術(shù)，還有很長(zhǎng)一段路要走，所以無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)的共存和整合是一個(gè)新的研究方向。

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Wireless Technology at Industrial Field Level

SHEN Xu-jian and ZHOU Yan

(School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

For factory automation, wireless technology has been widely used at enterprise level. In addition,at field level, wireless technology is considered as a good way to cable replacement for cost saving. In this paper,some key issues of wireless industrial communication systems at filed leveal are discussed: (1) fundamental problems of wireless communication such as channel errors and hidden terminal problem; (2) the reliability and real-time problem of existing wireless technologies for the industrial applications.

field level; industrial wireless; real-time; reliability

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.028

2009 ? 11 ? 25

國(guó)家自然科學(xué)基金(60674077); 中加政府間科技合作基金(2009DFA12100)

沈序建(1984 ? )，男，碩士生，主要從事無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面的研究.

編 輯 漆 蓉