王福剛

摘 要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是成本低，易于使用，易于維護(hù)，靈活性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)集成；有線網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

1 前言

作為一種新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee由于其低功耗，低成本和低復(fù)雜性而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活的各個(gè)領(lǐng)域。其巨大的應(yīng)用潛力使其成為理論和應(yīng)用研究的熱門話題。

2 企業(yè)有線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)集成意義

在工業(yè)應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)溫度，壓力和流量等參數(shù)是確保安全有序生產(chǎn)的關(guān)鍵。大多數(shù)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法使用現(xiàn)場(chǎng)布線方法。在一些難以鋪設(shè)或需要大規(guī)模鋪設(shè)的工業(yè)場(chǎng)所中，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法無(wú)疑具有主要缺點(diǎn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不僅節(jié)省了大量的線纜連接成本，還大大擴(kuò)展了監(jiān)控空間。但是，在未來(lái)，CAN，工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)仍將占據(jù)主要應(yīng)用比例。這些通信網(wǎng)絡(luò)是有線連接，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將不可避免地導(dǎo)致它們共存。因此，研究如何將工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)勢(shì)在必行。這不僅需要理論支持，還需要在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中實(shí)施，并研究一套完整的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備和方法。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其低功耗，高可靠性和良好的穩(wěn)定性而被用于構(gòu)建工業(yè)設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)，可以更好地滿足工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求。 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)采用雙向通信方式，功耗低，成本低，通信距離適中，復(fù)雜度低，數(shù)據(jù)傳輸速率低。主要用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動(dòng)控制等。它用于各種嵌入式系統(tǒng)，支持地理定位?；谝陨咸攸c(diǎn)，ZigBee技術(shù)將有效應(yīng)用于工業(yè)控制，消費(fèi)電子，家庭和樓宇自動(dòng)化設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。作為一個(gè)成熟的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)以太網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和監(jiān)控。特別是在惡劣的環(huán)境中，管理人員需要進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)收集和查看設(shè)備數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程終端可以查看和確定站點(diǎn)數(shù)據(jù)，大大提高了便利性。

3 需求分析

3.1、無(wú)線接入點(diǎn)分布：該辦公樓無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)屬于一個(gè)典型的分布型無(wú)線覆蓋組網(wǎng)方式，每一層需要放置兩個(gè)BWA601，分別位于每一層樓道的走廊兩端。BWA601外接室內(nèi)覆蓋天線用以保證樓道內(nèi)無(wú)盲區(qū)強(qiáng)信號(hào)覆蓋，多設(shè)備覆蓋是因?yàn)槭謾C(jī)、PDA、PAD等無(wú)線終端內(nèi)置無(wú)線天線的接收面和增益都比較小，功放功率比較低，所以中心設(shè)備要做到很強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度才能保證正常連接上網(wǎng)。

3.2、微波損耗計(jì)算方式：在辦公室環(huán)境，802.11b / g/n，2.4千兆赫，的近似衰減值：石膏板墻體：3dB玻璃幕墻與金屬框架：6dB 煤渣砌塊墻體：4dB 辦公室的窗戶：3dB 金屬門：6dB磚墻+金屬門：12.4dB其他因素會(huì)影響2.4GHz的射頻信號(hào)范圍，包括混凝土纖維板墻，鋁墻板，管材和電線，微波爐和無(wú)繩電話。

3.3、無(wú)線組網(wǎng)方法：以為該辦公樓原有有線網(wǎng)絡(luò)，所以從機(jī)房通過(guò)豎井到每一層都有線路供無(wú)線BWA601接入使用，每一層的兩端各使用一根原有線路連接到BWA601，BWA601外接室內(nèi)覆蓋天線固定在墻壁之上，天線朝向走廊，室內(nèi)用戶通過(guò)反射、穿射的無(wú)線信號(hào)上網(wǎng)。

3.4、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：（1）信道：奇數(shù)樓層兩個(gè)BWA601信道劃分為1和9信道；偶數(shù)樓層兩個(gè)BWA601信道劃分為3和11信道，最大化減少每一層和任意層之間的同頻干擾（2）SSID劃分：每一層的兩個(gè)AP的SSID（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示）按照“辦公樓所屬單位名稱+所在樓層數(shù)+A”、“辦公樓所屬單位名稱+所在樓層數(shù)+B”命名。（3）無(wú)線傳輸模式：該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋采用的是目前國(guó)際最新的802.11n 企業(yè)級(jí)無(wú)線接入基站，由于考慮到用戶的筆記本和手持終端支持的接入模式不統(tǒng)一，可能有的支持802.11n，也有支持802.11g的，所以主設(shè)備的傳輸模式采用802.11n和802.11g兼容模式供用戶接入，保證每個(gè)用戶的正常接入上網(wǎng)（4）加密方式：每一層的無(wú)線加密方式和密鑰可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理人員當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)際情況確定，由于用戶的流動(dòng)、移動(dòng)性比較強(qiáng)，建議加密但不綁定用戶終端設(shè)備MAC地址。（5）設(shè)備供電：樓層內(nèi)所有的BWA601設(shè)備統(tǒng)一采用PoE網(wǎng)線供電方式，不需要單獨(dú)拉電源線供電，一定程度上節(jié)省人工開支和施工難度。

3.5、機(jī)房部分：機(jī)房?jī)?nèi)首先使用多口二層交換機(jī)，將樓內(nèi)的所有BWA601匯聚到一起，連接到硬件防火墻之后再連接到一臺(tái)中心網(wǎng)管路由器上。路由器可開啟DHCP服務(wù)器對(duì)接入的用戶自動(dòng)分發(fā)IP地址、DNS地址上網(wǎng)（不建議手動(dòng)分配IP地址，因?yàn)槭殖纸K端的靜態(tài)IP地址配置操作比較繁瑣）。6、網(wǎng)管平臺(tái)：因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)為小型企業(yè)級(jí)無(wú)線網(wǎng)，使用網(wǎng)管路由器和二層交換機(jī)即可實(shí)現(xiàn)管理，無(wú)需另加后天無(wú)線BWA601管理平臺(tái)，實(shí)際需要按照網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求而定。

4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

傳感器節(jié)點(diǎn)密集排列在監(jiān)控區(qū)域，通過(guò)無(wú)線通信形成多跳自組織智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展得益于現(xiàn)代通信技術(shù)，信號(hào)處理技術(shù)，嵌入式計(jì)算技術(shù)，傳感測(cè)試技術(shù)，微機(jī)電技術(shù)和分布式處理技術(shù)的快速發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)作以收集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的被監(jiān)視對(duì)象的數(shù)據(jù)和信息，在某些條件下處理所收集的信息，并最終通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將所需數(shù)據(jù)和信息發(fā)送給觀看者。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷應(yīng)用，人們對(duì)信息的訪問(wèn)不再受時(shí)間，地點(diǎn)和環(huán)境的限制。因此，WSN具有廣泛的應(yīng)用和前景，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，汽車，航空航天，醫(yī)療，家庭，樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。分布式節(jié)點(diǎn)用于協(xié)調(diào)區(qū)域中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，以便節(jié)點(diǎn)自動(dòng)分組，不需要手動(dòng)干預(yù)和其他預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施互聯(lián)網(wǎng)。在實(shí)際過(guò)程中，使用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高度部署，部署數(shù)量非常大?？梢圆渴饠?shù)千個(gè)或更多節(jié)點(diǎn)設(shè)備。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用非常廣泛，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正在迅速變化。一旦在初始階段建立了網(wǎng)絡(luò)，在后續(xù)階段幾乎不需要人為干預(yù)。因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件時(shí)，必須注意容錯(cuò)，抗干擾和穩(wěn)健設(shè)計(jì)。同時(shí)，無(wú)線通信協(xié)議也應(yīng)具有一定的適應(yīng)性和重新配置。它高度集成且緊湊，由于其大量的一次性部署，廣泛的地理分布以及相對(duì)復(fù)雜和惡劣的部署環(huán)境，更換電池電源非常困難。為了使節(jié)點(diǎn)在電池電量有限的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作，節(jié)點(diǎn)使用低功率組件。此外，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)的能耗非常小。

5 有線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無(wú)線/有線網(wǎng)絡(luò)具有不同的應(yīng)用場(chǎng)景和用戶。他們使用不同的協(xié)議技術(shù)，從最低的物理層到最高的應(yīng)用層。因此，研究了網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)。數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層和其他協(xié)議層存在差異。業(yè)界有線網(wǎng)絡(luò)主要包括Profibus，CAN總線，F(xiàn)F（基本總線）總線和Modbus / TCP總線。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議模型非常不同。為了使用不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的集成，需要在協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息時(shí)，它將信息轉(zhuǎn)換為格式，打包并封裝數(shù)據(jù)的有效負(fù)載，最后將其轉(zhuǎn)換為另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的格式。中間層包括傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層之間的網(wǎng)絡(luò)層。在接收到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)幀之后，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基于源MAC地址和目的地MAC地址確定是否需要協(xié)議轉(zhuǎn)換。如果需要轉(zhuǎn)換，則接收的數(shù)據(jù)幀將被分層并分離，然后封裝到ieee802.15. 4數(shù)據(jù)幀中以進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)段傳輸。由于協(xié)議轉(zhuǎn)換涉及網(wǎng)絡(luò)層和上層，協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備網(wǎng)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線/有線網(wǎng)絡(luò)的集成。網(wǎng)關(guān)包括到無(wú)線/有線網(wǎng)絡(luò)的硬件接口和用于有線和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)集成的協(xié)議棧，使得數(shù)據(jù)幀可以在網(wǎng)關(guān)設(shè)備中轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)格式以用于協(xié)議轉(zhuǎn)換目的?？紤]到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，網(wǎng)關(guān)接入能力和信息轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤率，網(wǎng)關(guān)設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成。無(wú)線模塊通過(guò)硬件接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)核心處理器，處理器根據(jù)通信轉(zhuǎn)換協(xié)議將Zigbee消息轉(zhuǎn)換為TCP。 IP數(shù)據(jù)包被發(fā)送到以太網(wǎng)端口，然后上傳到有線網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)關(guān)設(shè)備的工作內(nèi)容需要為：網(wǎng)關(guān)上電后，掃描空閑信道，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，分配16位網(wǎng)絡(luò)地址，添加節(jié)點(diǎn)設(shè)備；節(jié)點(diǎn)設(shè)備找到到網(wǎng)關(guān)的綁定請(qǐng)求信號(hào)。在接收到響應(yīng)之后，發(fā)送地址請(qǐng)求信號(hào)。在接收到信號(hào)后，網(wǎng)關(guān)將節(jié)點(diǎn)地址分配給節(jié)點(diǎn)以完成節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連接。網(wǎng)關(guān)處理器通過(guò)以太網(wǎng)端口將處理后的信息發(fā)送到工業(yè)以太網(wǎng)。用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程用戶界面訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)收集的數(shù)據(jù)，監(jiān)控和管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，完成不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流主要是一對(duì)一的。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是數(shù)據(jù)監(jiān)視，其特征在于當(dāng)需要數(shù)據(jù)交換以最小化冗余信息的傳輸和傳輸信息的能量消耗時(shí)的完整數(shù)據(jù)融合，它有一個(gè)相應(yīng)的通信接口。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的互連，需要連接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)和有線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。實(shí)現(xiàn)與字段節(jié)點(diǎn)的交互。換句話說(shuō)，可以滿足兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性。用戶可以通過(guò)某種方式監(jiān)控站點(diǎn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的信息，實(shí)時(shí)捕獲和管理節(jié)點(diǎn)設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)的配置。

6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)首先分析系統(tǒng)的功能和非功能需求，非功能性要求包括系統(tǒng)功耗，材料等。規(guī)范和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從需求分析中提取規(guī)范，并根據(jù)描述詳細(xì)描述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，包括功能劃分和軟件和硬件的選擇；硬件和軟件重新設(shè)計(jì)，包括硬件電路設(shè)計(jì)，軟件編碼和調(diào)試；最后，進(jìn)行了系統(tǒng)集成測(cè)試，以設(shè)計(jì)和形成硬件和軟件模塊的組合。我通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤并改進(jìn)了設(shè)計(jì)以及時(shí)解決錯(cuò)誤。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)估，以確定所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)備是否滿足實(shí)際的功能應(yīng)用要求。系統(tǒng)可靠性，功耗，應(yīng)用容量和使用成本的綜合要求非常全面。嚴(yán)格。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用自上而下的設(shè)計(jì)過(guò)程，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)過(guò)程逐步實(shí)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)系統(tǒng)要求選擇核心處理器，然后根據(jù)選定的微處理器展開相應(yīng)的功能模塊。當(dāng)嵌入式設(shè)備上電或執(zhí)行復(fù)位功能時(shí)，通常從該地址初始化軟件代碼。通常，初始引導(dǎo)地址位于初始引導(dǎo)地址。引導(dǎo)加載程序主要負(fù)責(zé)硬件初始化，堆棧設(shè)置，內(nèi)存空間映射創(chuàng)建，內(nèi)核參數(shù)設(shè)置等。通過(guò)一系列工作，您可以為后續(xù)系統(tǒng)內(nèi)核操作準(zhǔn)備基本硬件環(huán)境。引導(dǎo)加載程序的選擇和移植主要基于用戶選擇的微處理器的體系結(jié)構(gòu)和外圍設(shè)備的特定功能模塊。本節(jié)的主要任務(wù)是修改，配置，修剪和移植嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核源代碼。結(jié)合系統(tǒng)本身的硬件環(huán)境，源代碼在一定程度上得到了修改，包括修改系統(tǒng)使用的晶體振蕩器頻率和內(nèi)存分區(qū)表參數(shù)。此外，應(yīng)該調(diào)整系統(tǒng)不需要的一些功能。例如，在配置內(nèi)核支持的驅(qū)動(dòng)程序模塊時(shí)，可以消除未使用的SD卡和攝像頭，從而節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)存?，F(xiàn)在，應(yīng)用服務(wù)器的部署通常連接到路由器或測(cè)試交換機(jī)，然后連接到客戶端。此時(shí)，如果服務(wù)器未在路由器之間使用無(wú)線連接，則路由器之間的連接可能是應(yīng)用服務(wù)器的性能瓶頸。由于此時(shí)大多數(shù)應(yīng)用程序目前都有訪問(wèn)和分發(fā)問(wèn)題，因此每個(gè)客戶端ACTS充當(dāng)流，通過(guò)路由器和電線連接到應(yīng)用程序服務(wù)器。如果應(yīng)用服務(wù)器在路由器之間沒(méi)有窄通道，則聚合池可能包含河流。此時(shí)，可能會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而影響應(yīng)用服務(wù)器的性能。在相同條件下，有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度比無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度更快，更穩(wěn)定。因此，如果應(yīng)用程序服務(wù)器沒(méi)有將路由器之間的連接切換到有線網(wǎng)絡(luò)，這就像在應(yīng)用服務(wù)器和路由器之間擴(kuò)展河流并用河流替換它。然后它可以容納更多的流。它還傳輸比無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更多的數(shù)據(jù)。服務(wù)器通常放在那里并經(jīng)常移動(dòng)。為此，也無(wú)需部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。因此，該文件得出結(jié)論，至少有一些關(guān)鍵應(yīng)用程序服務(wù)器未連接到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和路由器。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，有線網(wǎng)絡(luò)具有其價(jià)值。在短時(shí)間內(nèi)，無(wú)限的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)法取代有線網(wǎng)絡(luò)。如果要部署不受限制的網(wǎng)絡(luò)，則無(wú)線路由器（通常稱為無(wú)線接入點(diǎn)）至關(guān)重要。但是，企業(yè)通常需要邊界路由器。換句話說(shuō)，公司經(jīng)常使用路由器通過(guò)光纖或ADSL撥號(hào)。

7 結(jié)束語(yǔ)

由于網(wǎng)關(guān)設(shè)備的測(cè)試只是在實(shí)驗(yàn)室和焊接車間環(huán)境中進(jìn)行的簡(jiǎn)單功能測(cè)試和丟包率測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目相對(duì)簡(jiǎn)單，因此有必要添加一個(gè)完整而全面的測(cè)試項(xiàng)目來(lái)驗(yàn)證其可靠性和穩(wěn)定性。目前，網(wǎng)關(guān)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用的目標(biāo)。因此，需要添加大量節(jié)點(diǎn)設(shè)備以用于后續(xù)產(chǎn)品測(cè)試中的性能測(cè)試。

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