工业环境下无线短程通信的新近发展

　　短程无线通信技术的发展
        短距离无线通信系统是指采用小型的、短距离（一二百米有效范围）的无线网络来实现低价位、低功耗、可替代线缆的无线数据和语音链路，为移动和工业、商业用户提供各种服务。短距离无线应用的需求，例如RF识别、无线局域网(WLAN)、个人无线连接网络(WPAN)等的市场快速增长。
　　目前几种主流的短距离无线通信有：高速WPAN技术，低速WPAN技术（包括IEEE802.15.4/ZigBee和蓝牙等），UWB高速无线通信技术等。图1形象地表示了不同的无线短程网和一些无线远程网的数据传输率和传输距离的特性定位，他们都是按照无线传输数据、图像、语音和实现无线监控等不同要求而设计的。
   

 图1：不同无线短程网的数据传输率和传输距离的应用定位

表1： SP100在工业自动化和控制环境中的六类无线应用

        短距离无线通信技术有低成本、低功耗和对等通信三个重要特征和优势。首

先，低成本是短距离无线通信的客观要求，由于各种通信终端和路由节点的产销量都很大，没有足够低的成本很难推广。其次，低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关；由于传播距离近，遇到障碍物的几率相对也小，发射功率普遍都很低，通常在１毫瓦量级。这就为实现就地解决电源（电池长期供电、太阳能电池供电，或风能、机械振动发电等），达到无线信息传输和“无线”供电的全无线网络通信，设置了前提条件。第三，提供终端间的直通能力，即实现对等通信是短距离无线通信的重要特征，这有别于基于网络基础设施（如移动蜂窝通信的基站）的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络基础设施进行中转，即使是通过网格式拓扑自组织网络，也只是为了形成接力式传递和冗余路由，因此接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理最常采用竞争的方式如载波侦听。
       本文主要讨论的是适于工业监控和控制应用，且基于IEEE 802.15.4的低成本、低数据率的WPAN技术，即工业用无线传感器网络（WSN）技术。
        所谓工业用WSN是指一类为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线连接的嵌入式通信产品。目前WSN正处在发展阶段，远未成熟。打上WSN标签的产品除了能提供冗余、容错的无线连接外，还有远远超过传统的点对点的解决方案的特性：自组网、低功耗和低安装成本。WSN具有自组织(self-organizing)和自愈(self-healing)智能，因此当WSN中的任意节点发生故障，或从网络中退出，WSN会将这个别节点从网络中隔开，并另行建立数据传输的路由，保证高度的传输可靠性。理想的WSN中每个节点都能实现低功耗，独立供电；能适应环境的变化，能以零维护保证长期稳定工作。

　　自动化和控制环境下实现无线通信技术的标准化活动
        美国ISA学会的SP100标准委员会正在加紧制定自动化和控制环境下实现无线通信系统的标准，推荐实践指南、技术报告和相关的信息。标准主要面向现场仪表和设备。着重在三方面予以规范：
　　1. 运用无线技术的环境，
　　2. 无线通信设备和系统技术的生命周期，
　　3. 无线技术的应用。
         SP100将在工业自动化和控制环境中的无线应用划分为监控、控制和安全应用三大类，并细分为六小类（见表1）。这种分类考虑了无线通信在实际使用条件下必须满足的要求，又体现了这些无线通信应用的时间属性。
        属于监控的第5类应用，是指不产生直接操作结果的数据和消息，譬如历史数据的采集，为预防性维护而必须进行的周期性采集的数据，事件顺序记录数据的上传，其它的上装和下载。
         属于监控的第4类应用，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据和消息，例如基于事件的维护而必须采集的数据，为测试需要而发往现场的限界动作所产生的临时而短暂的结果，等等。
        第3类开环控制是指在回路中还有人在起着作用，例如操作人员手

动启动一个信号装置且注视着这个装置，远程指导开启一个安全门，操作人员执行手动调节泵/阀门等。
        第2类闭环监督控制，通常并非关键部位，如不频繁的串级控制，多变量控制、优化控制所形成的设定值等。
        第1类闭环调节控制，一般均为关键回路，如现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等。
        第0类恒为关键的紧急行动，包括安全联锁，紧急停车，自动消防控制等。

图2：实际对这些类别（不包括0类）的应用需求

表2：无线通信系统在工业环境下应用应达到的各种要求

       英国石油公司（BP）的CTO指出：实际对这些类别（不包括0类）的应用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10（见图2）。这就是说，第四、五类应用是大量的，如状态（振动，温度/压力等）监控；性能（热交换，环境状态、机械运行状

态）监控。第三类应用（开环控制）也有需求。至于第二 类和慢速第一类应用，将随着用户不断取得经验，在对传输延迟、信息安全和稳健性等有更好了解后，会逐渐有所应用 ，以利于更多地引导对此类应用的要求。
        SP 100 还就成本、兼容性和系统的可扩可缩、性能、信息安全现场设备的就地接入，以及服务质量等作了明确规定（见表2）
        SP 100标委会还成立了专注于低功率无线传感器设备的标准化的SP100.14工作组和专注于高带宽无线基础设备和骨干网的标准化的SP100.11工作组。在2006年广泛征求标准年草案的基础上，推出了SP100.11a的征求意见文件，据了解其中主要采用了全网格网络的方案。
       HART通信基金会（HCF）早在2005年就启动了无线HART规范的制订工作。今年二月对HCF成员发布了以无线HART规范为主的HART 7.0规范，六月已获投票通过，正式生效。据悉符合无线HART规范的仪表将于今年晚些时候或明年初问世。

　　无线短程网的工业应用获得重大突破
        在积极制定工业自动化环境下无线网络标准的同时，开发和完善满足SP 100要求的无线短程网的协议及其在实用条件下的验证工作，也一直在大力地推进着。事实上，早在SP100标准工作启动之前，ABB 公司在2003年就开始了在无线网络运用于开环控制和闭环控制的工厂试验；BP 公司也从2004年起在化工产品铁路槽车的远程信息处理、大型运油船引擎的振动温度等参数的监控、油气管线的腐蚀检测、液化天然气罐远程监控，以及炼油过程的无线测量平台等多个不同的应用场合，进行了许多工业实验。Emerson Process Management 在2006年第四季度宣布，在历经三年对多种无线传输技术的评估和工业应用实验后，正式决定采用Dust Networks的网格拓扑时间同步协议TSMP技术，作为其工厂智能无线现场网络的解决方案。这一自组织无线网络技术的采用，使它的著名品牌Rosemount? 测量变送器和ATM  智能设备管理程序和预测维护套件增添了无线通信的能力，并可与DeltaV  和Ovationǖ腄CS 产品系列或其它传统主机构成无缝连接。
        Emerson的智能无线解决方案是世界上第一个将自组织网络技术用于工业应用的示范工程。过去三年中，在北美和欧洲几个现场试验的结果证实，其数据传输的可靠性在99%以上，而安装成本比同等的有线方案要低90%。该无线系统的规模可大可小，最小为5个节点，而最多可达100,000个。按支持符合SP100规定的第1至第5类应用设计，目前已经过现场实际考验的应用为第3至第5类，即开环控制类和监控类

　　适于工业环境应用的MAC和网络层协议TSMP
       由Dust Networks公司开发的无线短程网MAC和网络层协议TSMP，获得2006年达沃斯世界经济论坛Dust奖和华尔街杂志的全球技术创新奖的殊荣。由HART通信基金会制定的无线HART协议采用了Dust的核心技术，这在很大程度上帮助该公司获得了

Emerson Controls、GE Sensing和其他一些过程控制制造商的肯定，纷纷采用了这项创新技术。这说明，基于全网格拓扑的TSMP协议是一种经过充分测试和获得广泛认可的、适合于工业环境应用的无线短程网协议。
        TSMP是专为低功耗、低带宽、可靠联网而设计的介质存取层MAC和网络层协议。当前的TSMP是在IEEE 802.15.4的射频2.4GHz ISM频带和专用射频900MHz ISM频带上实现的。图3表示在标准的无线网络协议栈和OSI网络协议栈中TSMP所对应的部分。

图3：TSMP对应于OSI7层模型中MAC层和网络层

 图4：TSMP的数据帧和时间槽

       TSMP按数据包进行传输，每次仅传输一个单一的数据包，并包括当该数据包被准确且无改变的接收后生成的确认帧。其传输机制的设计以尽可能可靠和高效地完成数据包在多跳网络中的传送为准绳。所有保证可靠和高效的措施都以每个数据包为基础。
　　TSMP有5个关键要素，

即时间同步通信、跳频、节点自动加入和网络自动构成、全冗余网格路由，以及安全消息传送。
       TSMP以为无线数据提供可靠高效传输的同步通信技术——时分多址（TDMA）机制为基础。在TSMP网络中，节点间的所有通信都在一个特定的时间段（称为时间槽）执行。一个数据帧包括若干个时间槽。帧长度按时间槽的个数计，TSMP的网络刷新率则与帧长度相关。帧长度为一个组态参数：帧长度越短，刷新率就越高，随之有效带宽也增加，功耗也加大；反之，帧长度越长，刷新率就越低，随之有效带宽也减少，功耗也降低。一个TSMP节点可以同时处理多个数据帧，这就是说，同一个节点允许以多个刷新率执行不同的通信任务。图4给出时间槽和数据帧的概念。
        这里还要指出，网格拓扑时间同步协议TSMP解决了网络所有的构成节点共享发送、接收和休眠的精确时间同步。在对电池功耗有严格要求的场合（如WSN），这是十分关键的。只有全部节点能保证同步唤醒和同步休眠，才能实现电池的长寿命。TSMP与其它WSN所用的信标策略不同，它考虑到信标策略会要求侦听窗口长时间投入工作，从而消耗电池的功率，所以不在每个数据帧的起始处设同步信标，代之以TSMP节点保持一个精确的时间读出，还要通过与相邻节点交换补偿信息来保证同步。这个补偿值与标准的ACK确认消息一起传送，因此没有额外的时间和功率开销。这一共同的时间读出信号保证网络具备了许多优点：带宽可预先配置，确保了极可靠的发送和自干扰为零；发送节点在每次发送时可有效地改变频率，而接收节点可保持锁步；以可预见和条理清晰的方法来调节带宽的增减，以适应数据流的突增或突减。
        无线设备的功率有95%是在发射和接收时耗掉的。TSMP主动地而且是毫无例外地让网络中所有的节点（包括路由节点）的占空比都只有1%，这就是解决网络的所有节点全部由电池供电，并且还能达到长寿命的实际方法。TSMP节点只有3种工作状态：1）向相邻节点发送消息，2）侦听处在发送状态的相邻节点，3）与嵌入的传感器或处理器构成接口；而对其它的所有时间而言，节点处于休眠状态，因而功耗极低。

图5：A节点和B节点为C节点的父节点

      TSMP不像其它一些协议单纯使用DSSS或FHSS，而是将FHSS和DSSS组合使用，使它同时具有FHSS剔出射频干扰的能力和DSSS提高编码增益的性能。实验证明，在射频干扰较大时，TSMP的通信可靠性较使用DSSS的Wi-Fi（IEEE 802.11）、蓝牙和802.15.4高出许多。
       TSMP还在规定的2.4000—2.4835MHz ISM频道内，巧妙地利用伪随机序列在802.15.4规范制定的16个信道间进行跳频。当一个TSMP节点（如图5所示，称之为C节点）加入网络时，它会发现一些相邻的节点，并与至少两个已处在网络中的节点（称之为A 节点和B节点）建立通信关系。在这个过程中，C节点会收到A节点和B节点发来的同步信息和跳频序列。C节点作为子节点从父节点A和B那里收到的肯定是不同频率起点的跳频序列，当又有新的节点加入网络，C节点又会发给它的子节点以另一个不同频率起点的跳频序列。这样，按成对方式的连接能够确保在网络的任意位置的节点，以

不同的信道在每个时间槽期间使用所能提供的带宽。在运行时每一个节点间的传输（如C==>A）与前一次传输的频率是不相同的，如果传输因干扰被阻断，那么，下一次传输C就会以另一个信道的频率通过另一个父节点传输（C==>B）。在面对典型的射频干扰时，传输路径的选择相当简单，但又不失为非常灵活。
        对大多数通信机制而言，增加信道数将成正比增加系统的通信能力。TSMP在802.15.4的射频范围取16个信道采用跳频扩频，使之有效带宽提高16倍。因为两对节点以不同的频率进行通信，不会彼此干扰。对于低数据率的应用，这意味着即使带宽的大多数被射频干扰所阻塞，消息仍然可通过未受干扰的信道传输。总之，FHSS的作用会在很大程度上提高系统的可靠性。
        将时分和频分合并在一张图上表示，纵轴表示信道频率，横轴表示时间槽，则产生一个矩阵，矩阵中每个单元表示一对TSMP节点一个独有的通信机会。例如，取每秒60个时间槽，且频分16个信道，每秒有960次发射；假定有效负载为80字节，则每秒的有效带宽为76.8K字节。如果说无线系统带宽的可扩性主要由介质存取来控制，那么，介质存取的协议越有效，将导致网络的可扩性就越好。跳频的时分多址协议是一个非常有效的协调节点通信的手段。在同一个无线空间有1000个以上的TSMP节点在运行，不致产生影响端对端的通信可靠性的干扰。但是如果某一种网络采用基于冲突的协议（如CSMA），当网络中有那么多密集的节点时往往会产生一连串冲突而最后导致网络瘫痪。
        TSMP网络的关键属性是其自组织的性能。网格拓扑联网要求每一个TSMP节点具有以下智能：发现其相邻节点、测量射频信号强度、获取同步和跳频信息以及建立与相邻节点的连接路径。
与ZigBee不同，在TSMP中没有终端节点（即无路由功能的传感器节点）的概念，每一个节点都具有因受射频连接环境和/或网络性能要求的支配下，从其相邻节点中寻找合适传输路由的能力。当然会发生以下的情形，即在一个节点加入网络时，它是作为一个终端节点的角色，接着由于射频状态的变化它成了一个路由节点，然后又回到一个终端节点的角色。这就要求这一切均是自动进行的，否则就不能保证网络的长期可靠性。
       TSMP节点是如何加入已建立的网络？一个已建立的网络可以简单地理解为一组共享网络识别号ID和关键字、且彼此间同步的节点。一般来讲，网关节点是该网络的发源地，它执行向所有其它网络节点接力传输组态信息和发出主时序信号的服务。除了承载应用消息的那个时间槽外，还有其他一些时间槽是用来执行网络组态、相邻节点发现和侦听新加入节点请求的。这些时间槽也是组成帧长度的部分，此外，在网络节点之间进行通信时，在传输的消息中还包括那些特殊的网络设置的关键代码，如帧长度、开放的侦听槽和频率、网络ID和当前时间。当TSMP节点被上电或被复位，它便开始侦听这些代码。
       所有的TSMP消息（包括一个网络ID）均打成一个数据包。网络ID用于将所有具有同一个ID的节点绑定在一个网络内，这样一来，即使同一个无线空间内有多个TSMP网络在运行，也不至于把消息路由至另外的网络。如果某个节点侦听到一个与自己所在网络的ID不匹配的节点，它不会发出让其参与的初始化命令，而是继续进行非同步的侦听，直到它侦听到ID与自己相一致的节点。还安排了一个参与密钥来对消息进行打包。如果节点的密钥有误，它参与的请求不会被其父节点所接受，该节点将超时，接着又返回非同步侦听。
        一个具有节点自动加入和自愈的全网格拓扑结构，使网络能保持长期的可靠性和可预测性，即使是射频的环境随着时间可能发生很大的变化（如因天气的因素、又出现了新的未知的无线系统、设备发生移动，或者人口密度有所变化等等），也不致造成网络失效。只有自组织、全网格拓扑的网络才能够通过可供运用的网络拓扑发现和利用大多数稳定的路由。全冗余路由要求既有空间上的多种变化（尝试不同的路由），又有时间上的多种变化（稍后再尝试）。TSMP采用让每个节点都发现多个可能的父节点和建立两个以上的链接达到空间上的多种变化；至于时间上的多种变化则由重发和避免失效的机制具体实现。
　　每个TSMP节点都保持着自己的相邻节点表，表中有父节点也有子节点。一个节点可以有多个父节点，这是一个可以组台的参数。譬 如说为保证一个很重要的节点的高可靠性，可让它具有4个父节点；对于一些不要紧的节点，可在组态时只给它安排一个父节点。