[摘 要] 本文通過對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀的分析，討論了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)無線技術(shù)的需求。并詳細(xì)介紹了IEEE 802.11b無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上介紹了基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的概念及其在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的一種應(yīng)用方案。 [關(guān)鍵詞] 控制網(wǎng)絡(luò) 以太網(wǎng) TCP/IP 無線局域網(wǎng) IEEE 80.211b 智能傳感器 一、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以智能儀表和分散控制為特色的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)帶入了一個(gè)新的時(shí)代。然而現(xiàn)場(chǎng)總線仍存在很大的局限性。首先，現(xiàn)場(chǎng)總線主要是低速網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備的計(jì)算能力和信息處理能力較低，主要用于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的輸出，只能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的控制算法。其次，目前出現(xiàn)了Profibus、FF、LonWorks、CAN-等多種現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品之間很難實(shí)現(xiàn)互操作。現(xiàn)場(chǎng)總線自身技術(shù)的局限性以及多種總線標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，限制了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)一步發(fā)展。 　　隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議已成為世界范圍內(nèi)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)各個(gè)層次的需求。與以往的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相比，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)具有很多優(yōu)勢(shì)。以太網(wǎng)有更高的通信帶寬，能夠滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信的需要。通過TCP/IP協(xié)議，可以方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和企業(yè)管理層的無縫連接。而且，以太網(wǎng)設(shè)備價(jià)格低廉，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠大大降低控制系統(tǒng)的成本。而隨著高速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性方面的問題正逐漸得以解決。種種跡象表明，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)將成為下一代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的重要選擇，并將帶來工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)新的變革。 二、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的需求 　　基于TCP/IP協(xié)議的有線以太網(wǎng)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)帶來了新生。然而，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一些工業(yè)環(huán)境禁止、限制使用電纜或很難使用電纜。（例如，建有堅(jiān)實(shí)的混凝土地板和大跨度天花板的建筑物或廠房，或者電纜必須鋪入超凈或真空封閉的房間）。其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數(shù)工業(yè)設(shè)施中的機(jī)器或其它無線電控制設(shè)備的干擾。更有一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備根本無法通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)信息。而無線局域網(wǎng)技術(shù)卻很容易解決這些問題。 三、無線局域網(wǎng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)介紹 　　IEEE802.11是IEEE最初制定的一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入。業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到2Mb/s。IEEE802.11委員會(huì)提出的無線局域網(wǎng)協(xié)議體系如圖1所示。IEEE802.11只規(guī)定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）的物理層和介質(zhì)訪問子層（MAC），其MAC層利用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議，而在物理層，IEEE802.11定義了三種不同的物理介質(zhì)：紅外線、跳頻擴(kuò)展頻譜方式（FHSS）以及直接序列擴(kuò)展頻譜方式（DSSS）。由于IEEE802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE小組又相繼推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。三者之間技術(shù)上的主要差別在于MAC層和物理層。 IEEE802.11b物理層支持5.5Mb/s和11Mb/s兩個(gè)新速率，并且使用動(dòng)態(tài)速率漂移，可因環(huán)境變化，在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之間切換，且在2Mb/s、1Mb/s速率時(shí)與IEEE802.11兼容。 IEEE802.11a工作的工作頻段為5GHz，物理層速率可達(dá)54Mb/s。采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的擴(kuò)展頻譜技術(shù)，可提供25Mb/s的無線ATM接口和10Mb/s的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。 下面主要介紹IEEE 802.11b無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。 1． 無線局域網(wǎng)的物理層 無線局域網(wǎng)同傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的區(qū)別，表現(xiàn)在物理層上就是無線局域網(wǎng)一般用無線電作為傳輸介質(zhì)，而不是傳統(tǒng)的電纜。對(duì)于IEEE 802.11b無線局域網(wǎng)，有三種可選物理層：跳頻擴(kuò)頻（FHSS）物理層、直接序列擴(kuò)頻（DSSS）物理層和紅外線（IR）物理層。物理層的選擇取決于實(shí)際應(yīng)用的要求。跳頻擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻是通信技術(shù)中兩種常用的擴(kuò)展頻譜技術(shù)，用以提高無線信道的利用率和數(shù)據(jù)通信的安全性。目前大多數(shù)基于IEEE 802.11b的無線局域網(wǎng)產(chǎn)品的物理層介質(zhì)工作在2.4000~2.4835GHz的無線射頻頻段（ISM頻段），采用直接序列擴(kuò)展頻譜技術(shù)以提供高達(dá)11Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。 2． 無線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議 原則上講，無線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議和有線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議并無本質(zhì)上的區(qū)別。然而，由于無線傳輸媒體固有的特性以及移動(dòng)性的影響，無線局域網(wǎng)的MAC協(xié)議不能沿用原有的局域網(wǎng)協(xié)議。例如，IEEE 802.3的MAC層采用CSMA/CD來使各個(gè)不同的站點(diǎn)共享同一物理信道。而實(shí)現(xiàn)CSMA/CD的一個(gè)重要前提是，各站點(diǎn)能夠非常容易地實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)功能。在有線局域網(wǎng)（如以太網(wǎng)）的情況下，可根據(jù)檢測(cè)電纜線上直流分量的變化容易地實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)。然而在使用無線傳輸媒體時(shí)，由于以下的原因，很難實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)。 1） 沖突檢測(cè)的能力要求各站能同時(shí)發(fā)送（發(fā)送自己的信號(hào)）和接收（決定其他站的傳輸是否干擾自己的傳輸），這將增加信道的花費(fèi)。 2） 更重要的是，由于隱藏終端問題的存在，即使一個(gè)站有沖突檢測(cè)的能力，并已經(jīng)在發(fā)送時(shí)檢測(cè)到?jīng)_突，在接收端仍然會(huì)有沖突發(fā)生。 鑒于以上原因，無線局域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11b采用了一種具有沖突避免的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CA）協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線信道的共享。 　　一種簡(jiǎn)單的CSMA/CA可實(shí)現(xiàn)如下：在數(shù)據(jù)包傳輸之前，無線設(shè)備將先進(jìn)行監(jiān)聽，看是否有其他無線設(shè)備正在傳輸。若傳輸正在進(jìn)行，該設(shè)備將等待一段隨機(jī)決定的時(shí)間，然后再監(jiān)聽，若沒有其他設(shè)備正在使用介質(zhì)，該設(shè)備開始傳輸數(shù)據(jù)；因?yàn)楹苡锌赡茉谝粋€(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，另一個(gè)設(shè)備也開始傳輸數(shù)據(jù)，為了避免此類沖突造成的數(shù)據(jù)丟失，接收設(shè)備檢測(cè)所收到的分組的CRC，如果正確，則向發(fā)送設(shè)備傳輸一個(gè)確認(rèn)信息（acknowledgement）以指示沒有沖突發(fā)生。否則，發(fā)送設(shè)備將重復(fù)上述CSMA/CA過程。 　　為了使兩個(gè)無線設(shè)備同時(shí)進(jìn)行傳輸（這將導(dǎo)致沖突）的可能性減到最小，802.11設(shè)計(jì)者使用稱為發(fā)送請(qǐng)求/清除以發(fā)送（RTS/CTS）的機(jī)制。例如：若數(shù)據(jù)到達(dá)無線節(jié)點(diǎn)指定的無線訪問點(diǎn)（AP），該AP將給那個(gè)無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS幀，請(qǐng)求一定量的時(shí)間向它傳輸數(shù)據(jù)，無線節(jié)點(diǎn)將用CTS幀進(jìn)行回應(yīng)，表示它將阻止任何其他的通信，直到AP發(fā)送完數(shù)據(jù)為止。其他無線節(jié)點(diǎn)也能聽到正在發(fā)生的數(shù)據(jù)傳輸，并把它們的傳輸延遲到那段時(shí)間之后。在這種方式下，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳遞時(shí)，由設(shè)備導(dǎo)致的在介質(zhì)上產(chǎn)生沖突的可能性最小。這種傳輸機(jī)制同時(shí)解決了無線局域網(wǎng)中的隱藏終端問題。 為了確保數(shù)據(jù)在傳輸中不丟失，CSMA/CA還引入了確認(rèn)（ACK）機(jī)制，接收者在收到數(shù)據(jù)后，向發(fā)送單元發(fā)一個(gè)確認(rèn)通知ACK。若發(fā)送者沒有收到ACK，表明數(shù)據(jù)丟失，將再次傳輸該數(shù)據(jù)。 3． 無線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)性性能分析 IEEE 802.11b無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在媒體訪問控制層采用CSMA/CA協(xié)議以實(shí)現(xiàn)無線信道的共享。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較輕的情況下，發(fā)生沖突的機(jī)會(huì)很少，再加上一些無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品采取了一些附加的措施，甚至可以完全避免沖突的發(fā)生。如Wi-LAN的無線產(chǎn)品AWE 120-24無線網(wǎng)絡(luò)橋接器利用動(dòng)態(tài)時(shí)間分配輪詢的方式：當(dāng)有多個(gè)無線遠(yuǎn)端設(shè)備要與基站通信時(shí)，基站會(huì)根據(jù)遠(yuǎn)端站的ID依次詢問各個(gè)遠(yuǎn)端站是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就給其分配時(shí)間片，如果沒有，則會(huì)繼續(xù)向下詢問，周而復(fù)始。這里的所謂動(dòng)態(tài)輪詢是指用戶可以設(shè)置基站的輪詢方式，對(duì)于非活動(dòng)站減少對(duì)其詢問的次數(shù)，這樣可以保證時(shí)間片不會(huì)被浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)時(shí)間分配輪詢技術(shù)完全避免了沖突的發(fā)生，可以獲得比CSMA/CA更好的實(shí)時(shí)性。這使得無線技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用成為可能。 四、基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器介紹 　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了"基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器"的全新概念。這種智能傳感器的原理框圖如圖2所示。它集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線網(wǎng)絡(luò)接口模塊（如圖3所示），無線網(wǎng)絡(luò)接口模塊底層網(wǎng)絡(luò)接口（硬件接口）采用基于IEEE 802.11b的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，高層網(wǎng)絡(luò)接口（軟件接口）采用TCP/IP協(xié)議，把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式應(yīng)用，即把TCP/IP協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中，使得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)都以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行。這種基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。 五、無線技術(shù)在工控網(wǎng)絡(luò)中的一種應(yīng)用方案 　　通過使用基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，結(jié)合目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的各種基于IEEE 802.11b的無線局域網(wǎng)網(wǎng)橋，就可以實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的一種應(yīng)用方案。如圖4所示。在這里，無線局域網(wǎng)網(wǎng)橋用作無線訪問點(diǎn)（AP），基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、處理，并以TCP/IP協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過無線鏈路發(fā)送到AP，由于無線鏈路和有線以太網(wǎng)高層均采用TCP/IP協(xié)議，且低層協(xié)議對(duì)高層協(xié)議是透明的，就實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。通過Internet，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān) 五、結(jié)束語 無線局域網(wǎng)技術(shù)能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、移動(dòng)機(jī)器人以及各種自動(dòng)化設(shè)備之間的通信提供高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在一些特殊環(huán)境下有效地彌補(bǔ)了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進(jìn)一步完善了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種無線模塊體積越來越小，價(jià)格越來越便宜，智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成無線模塊將更加方便、靈活。無線局域網(wǎng)技術(shù)將在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮越來越大的作用。