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基于ZigBee 的工业无线通信
lxw19881017 发表于 2012/9/10 21:00:31 1844 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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建立基于实时数据库的生产信息管理系统，实现对控制装置的数据上传，实时数据监测，形成一个工业控制网络是现代企业工业化管理的特征，如图1。随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，无线通讯技术逐渐在工业控制领域，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供无线数据链路，特别是在一些特殊环境下弥补有线网络的不足，进一步完善工业控制网络的通信性能，成为工业通信的新宠。在GPRS、蓝牙、WiFi、ZigBee等无线通信标准中，ZigBee以功耗低、可靠性高、网络容量大、时延小、成本低等优点在工业通信领域脱颖而出。
图1
ZigBee是由ZigBee Alliance（ZigBee联盟）制定的无线网络协议，是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线接入技术，主要适合于自动控制和远程监控领域。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了 IEEE802. 15. 4协议作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范,并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作,见图2。
图2
2、IEEE802.15.4协议
2.1 物理层
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4 GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列扩频）技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM 频段，划分成l6个信道, 码元速率为62.5kbaud，采用了l6进制正交调制，用码片长度为8的伪随机码直接扩频技术,能够提供250kb/s的传输速率.868MHz频段是欧洲的ISM 频段，有1个信道，数据传输速率为20kb／s。915MHz频段是美国的ISM频段，划分为10个信道, 数据传输速率为40kb／s，见表1 。 后2个频段均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制，用码片长度为15的M序列直接扩频。这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。物理层的主要功能包括：数据的调制，激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量指示,空闲信道评估,收发数据等。
表1
2.2 数据链路层
数据链路层负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制等。IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入子层MAC和逻辑链路控制子层LLC。MAC子层依赖于物理层提供的服务实现设备之间无线链路的建立与拆除、数据帧传输等；LLC子层在MAC子层的基础上，为设备提供连接服务，由IEEE802.6定义，为IEE802系列标准公用。链路层通过两个服务访问点（SAP）访问高层，通用部分SAP（MCPS-SAP）访问数据服务，管理实体SAP(MLME-SAP)访问管理服务。ZigBee/IEEE 802.15.4网络的所有节点都工作在同一个信道上，当邻近的节点同时发送数据就有可能发生数据冲突。为此MAC层采用了载波侦听/冲突检测（CSMA/CA）技术避免数据发生冲突。简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。
IEEE 802.15.4的MAC层定义了4种基本帧结构:
● 信标帧，供协商者使用。
● 数据帧，承载所有的数据。
● 响应帧，确认帧的顺利传送。
● MAC命令帧，用来处理MAC对等实体之间的控制传送。
MAC子层功能具体包括：协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持网络的关联和取消关联；支持无线信道的通信安全；使用CSMA-CA机制；支持保护时隙(GTS)机制；支持不同设备的MAC层之间的可靠传输。LLC子层功能包括：传输可靠性保障和控制；数据包的分段与重组；数据包的顺序传输。
3、网络层
ZigBee网络层主要包含以下功能：动态网络拓扑结构的建立和维护，网络寻址、路由选择、邻居发现和网络安全等。当网络采用网状网结构时，网络具有自组织、自维护功能。
3.1 网络节点
ZigBee网络定义了三种节点类型：协调器、路由器和终端设备。协调器和路由器必须是全功能器件(FFD: Full function device)，终端设备可以是全功能器件，也可以是简约器件（RFD: reduce function device）。一个ZigBee网络只允许有一个协调器，也称作ZigBee协调点，协调点是一个特殊的FFD，它具有较强的功能，是整个网络的主要控制者，它根据网络的最大深度(nwkMaxDepth)，每个路由器能最多连接子设备的数目(nwkMaxChildren)，每个路由器能最多连接子路由器的数目(nwkMaxRouters)等参数建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，在不发射和接收数据时处于休眠状态，因此成本比较低，功耗低。FFD除具有RFD功能外，还需要具有路由功能，可以实现路由发现、路由选择，并转发数据分组。
一个FFD可以和另一个FFD或RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。一旦网络启动，新的路由器和终端设备可以通过路由发现、设备发现等功能加入网络。当路由器或终端设备加入ZigBee 网络时，设备间的父子关系（或说从属关系）即形成，新加入的设备为子，允许加入的设备为父。一个简单的ZigBee网络父子关系如图3-a中的A、B。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。
3.2 网络拓扑
ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网，见图3。
星型网（图3-c）是由一个协调点和一个或多个终端节点组成的。协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在协调点的覆盖范围内，直接与协调点进行通信。星型网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。
网状网（Mesh网）（图3-a）一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力。它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。
3.3 网络路由
ZigBee网络层的路由功能主要为网络连接提供路由发现、路由选择、路由维护功能，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，整个网络由协调器建立，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，末端节点相当于树的叶子没有子节点。树路由利用了一种特殊的地址分配算法，使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址，寻址的时候根据地址计算路径。ZigBee路由只有两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表，节省存储资源，但缺点是很不灵活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低。ZigBee还有一种路由方法是网状网路由Z-AODV（AODV Ad Hoc On Demand），这种方法实际上是Ad Hoc 按需路由算法的一个简化版本，是一种基于距离矢量的按需路由算法，非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。
4、网络性能及技术特征
工业无线网络的数据链路层协议需要充分考虑极端的工业无线通信环境、多样化信息的实时通信、休眠等节能机制，满足更为严格的可靠性、实时性和节能性要求。以下是ZigBee几个典型的网络性能。
可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
成本低：首先ZigBee协议免专利费，其次 ZigBee网络短距离、低功耗等都可以降低网络的成本；
时延短：网络时延是指终端节点发出请求到其接收到回答信息所需要的时间。ZigBee网络针对工业通信对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms；
网络容量：一个ZigBee 网络可以容纳最多254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；
安全：ZigBee网络特别是网状网规模庞大，节点数目多，网络拓扑结构变化快，使其在安全性能上面临更大挑战。ZigBee联盟在网络安全方面提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各个网络应用可以灵活确定其安全属性。
5、ZigBee协议应用于工业无线通信中需考虑的问题
5.1 可靠性
5.1.1 干扰引起可靠性下降
工业自动化主要的应用是工业控制和工业监视，大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率超过95%。但是企业的生产环境是很复杂的，环境中往往存在IEEE802.11、蓝牙、IEEE802.15.4等多种类型的无线网络，这些网络大都集中在2.4GHz的ISM共享频段上，见图4.彼此间存在严重的同频干扰；另一方面，工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，无线信号会在其环境中反射、折射，引起传输延迟和多路径漫射，最终导致数据信号波形展宽，产生码间串扰。
图4
5.1.2 协调节点的可靠性
ZigBee网络中协调节点与控制端连接是网络核心，它的可靠性对整个网络的可靠性起着质关重要的作用。一旦协调节点出现掉电、数据库错误等致命问题，根据ZigBee协议网络中会有另一个路由节点发起组建ZigBee网络，但是重建网络及数据库恢复需要一定的时间成本。当然可以考虑协调节点及数据库备份措施，这势必引起双路由问题，必然引起增加网络开销。
5.2 严格实时性
工业环境有些测控任务是有严格的时序和实时性要求的，因此在某此工业控制网络中要求通信网络能提供严格的实时通信。前面提到ZigBee网络的主要的网络结构有三种，如果采用星型组网，所有网络节点通过协调器互相通信，路径长度相同，数据分组通过一跳到达目的节点。如果采用网状网组网，设备间的数据分组通常需要通过多跳转接进行通信，数据包每跳到一个节点，都会产生数据存储转发及路由选择的时间开销，如果网络规模庞大，需考虑通信的实时性问题；分组数据在网络中传输时分为单播、组播及广播三种类型，当在ZigBee网络中发送广播包时，在网络满足某种条件的情况下，会发生广播风暴，这时的网络会暂时处于不可用状态，也会影响通信实时性。当然ZigBee协议考虑到了实时性需求，对于低延迟或者有特殊数据带宽要求的应用，网络的协商者可以利用部分活动的超帧，它们被称为确保服务的同步时隙(Guaranteed Time Slot，GTS) 来降低时延。然而工业控制网络对节点的要求是成本低、功耗小，通常没有网络基础设施的支撑，对较大型网络，即要保证端到端通信的严格的实时性又要保证成本低功耗小是两难的事。
5.3 降低能耗
工业监控节点如无线传感器，由于考虑成本及移动方便等，通常靠自身携带的电池供电。无线传感器节点的能耗由感知、计算和通信三部分产生，从运行和维护成本方面考虑，节点的电池寿命应达到3至5年。如何利用最少的能源实现信息采集任务是工业无线技术的重要课题。
5.4 应用层开发
Zigbee应用层提供了基于IP网络技术面向用户应用的协同应用服务接口，使应用子层得以实现网络上不同设备间的通信、应用信息获取和服务设置。多个Zigbee网络，特别是不同应用的网络互联时，如果能够充分利用中间件技术实现消息代理和消息转发，将会使工业无线技术在应用软件开发方面得到更好的发展。
5.5 安全性
随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂。虽然在ZigBee协议中充分考虑了安全的因素，如在MAC层使用了称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）的算法进行加密，用来保证MAC层帧的机密性(Confidentiality)、一致性(Integrity)和真实性(Authenticity)。网络层采用包括密钥和安全级别等安全措施。但工业监控节点由于资源限制很难实现复杂的安全算法，如何在安全性和简洁性之间取得折中是工业无线技术面临着挑战。
5.6 兼容性
为了保护原有投资，基于工业无线技术的新型测控系统要具有与企业原有有线控制系统互连和互操作的能力。为了达到闭环控制的要求，互连与互操作技术在实现通信介质和协议转换的同时，还要保证通信的可靠和实时；ZigBee没有定义传输层，所以是用户应用层自己创建传输机制，还是节点设备使用一个带有内置传输层的ZigBee芯片来创建实际的应用也成为了关键问题；zigbee联盟从2003年成立以来，已经先后出版了三个版本，ZigBee/ZigBee2006/ZigBee pro,这三个版本有一些关键性的差异，三个版本是否能够很好兼容也不容忽视。
6、结论
ZigBee技术功能强大、适应性好、组网方便灵活、成本低，是工业自动化领域很有发展前途的无线接入标准。ZigBee标准在工业无线通信应用中，还需要考虑工业自动化领域的特殊性，特别是工业控制应用中的时实性、可靠性、能耗等。ZigBee网状网如果可以可靠的应用于工业自动化领域，基于路由发现、设备发现、业务发现的功能，可以组成一个较大覆盖范围、高可靠性的，具有自组织、自愈功能的无线接入网络。