基于无线网络的巡回检测系统研究与设计

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 4.67MB 56 页 15积分

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摘要

近年来，工业测控已从传统单机仪器、局部自动测控系统发展到全分布式的

网络化测控系统。网络化是现代测控技术的主要特点之一。一个工业网络测控系

统的典型结构是以 Ethernet 作为系统中的核心网，以工业级的现场总线作为本

地设备节点间的传输媒介。现场总线本质安全、数据传输速率高、传输距离远，

并且有着较好的抗干扰性能。但是物理链路受到空间位置限制，网络扩展性差，

这是有线方式的不足。

随着无线通信技术的发展，尤其是一些短距离、非标准无线射频协议的无线

技术的兴起，工业无线网络在测控领域展现了良好的应用前景。本文就巡回检测

系统的功能要求，提出了一套基于无线技术的解决方案，该方案组网简单，健

壮性强，具有较好的实用价值。

本文通过对基于无线网络的巡回检测系统的研究与分析，设计一种适合于

短距离无线通信的应用协议。该协议基于无线跳频技术，有效抑制短距离无线通

信中的多种频率干扰，并且在不可避免的情况下进行了完善的差错控制。

针对基于无线网络的巡回检测系统的特点，本文提出一种解决无线接入冲

突的机制，该机制结合 TDMA 的思想，根据体现设备地址优先权不同来筛选无

线节点的接入。这种策略在解决系统的无线接入冲突问题上非常有效。

本系统设计使用无线通信，有效弥补了有线网络的不足，进一步完善了工

业控制网络的通信性能。

关键词：工业无线网络巡回检测通讯协议无线跳频

ABSTRACT

Recently, industry measurement and control system, which oriented from a single

instrument or a local automatic system, has become a totally distributed network

system. Network is the primary feature of modern measurement and control

technologies. The typical structure of industry network measurement and control system

includes Ethernet functioning as a core network, and industrial Fieldbus which acts the

transmission media of local device nodes. Fieldbus holds many merits, for instance, it

has intrinsic safety performance, high data transmission rate, long data transmission

distance, and most of all, strong anti-interference capability. However, its physical links

suffer the restriction space position and the network has poor expansion, all of those are

the shortage of wired connection.

With the incessant development of wireless communication technologies,

especially some ones with short-distance nonstandard RF protocols, wireless network

has been exhibiting a bright application prospect in the field of industry measurement

and control.

In this dissertation, an application protocol is designed for short_range wireless

communication by the research and analysis of the circuit system detection system,

which is based on wireless frequency hopping, and can effectively prevent short_range

wireless communication from a variety of frequency interference. It also can make the

error control in some unavoidable circumstances.

Based on the idea of TDMA, this dissertation presents a collision resolution

scheme for short_range wireless access networks where data payload is light and nodes

access the master at random by the character of a kind of circuit system detection

system based on wireless network. With a specific application case, experiments to the

system are carried out and the results prove that this scheme can efficiently resolve the

collision when multi-nodes access one master at the same time.

This system adopts the mode of wireless communication, which compensates the

deficiencies of the wired network effectively and improves further the industrial control

network communication performance.

Key word: Industry Wireless Network, Circuit Detection, wireless

frequency hopping

目  录
摘  要.................................................................................................................................1
ABSTRACT.....................................................................................................................2
第一章  绪 论....................................................................................................................1
§ 1.1  课题的背景及意义........................................................................................1
§ 1.1.1 工业无线检测网络的现状.....................................................................1
§ 1.1.2 工业无线检测网络的优点.....................................................................2
§ 1.1.3 工业无线检测网络的发展趋势.............................................................2
§ 1.2  论文主要研究内容........................................................................................3
§ 1.3  论文的组织结构............................................................................................4
第二章  基于无线网络的巡回检测系统研究.................................................................5
§ 2.2  系统概述........................................................................................................5
§ 2.3  系统设计面临的问题....................................................................................5
§ 2.4  系统的设计要求............................................................................................6
第三章  基于无线网络的巡回检测系统硬件设计.........................................................8
§ 3.1  系统结构........................................................................................................8
§ 3.2  无线通信选择标准..........................................................................................8
§ 3.3  系统模块设计..............................................................................................10
§ 3.4  电源模块设计..............................................................................................11
§ 3.4.1 电平转换方案......................................................................................11
§ 3.4.2 电池充电电路......................................................................................11
§ 3.5  无线模块设计..............................................................................................14
§ 3.5.1  收发电路设计....................................................................................14
§ 3.5.2  天线设计............................................................................................16
§ 3.6  显示模块设计..............................................................................................17
第四章  基于无线网络的巡回检测系统软件设计.......................................................20
§ 4.1  总体设计方案..............................................................................................20
§ 4.2  协议设计......................................................................................................20
§ 4.2.1  物理层................................................................................................21
§ 4.2.2  数据链路层........................................................................................21
§ 4.2.2  网络层................................................................................................24
§ 4.3  关键技术........................................................................................................26
§ 4.3.1  系统抗干扰设计................................................................................26
§ 4.3.2  防冲突机制设计................................................................................28
§ 4.3.3  无线收发部分设计............................................................................32
§ 4.4  主机程序设计..............................................................................................37
§ 4.5  节点程序设计..............................................................................................38
第五章  系统可靠性措施...............................................................................................40
§ 5.1  抗干扰技术..................................................................................................40
§ 5.1.1  屏蔽设计............................................................................................40
§ 5.1.2  去耦设计............................................................................................40
§ 5.1.3  接地技术............................................................................................41
§ 5.1.4  印刷电路板抗干扰措施....................................................................41
§ 5.1.5  软件抗干扰技术................................................................................41

基于无线网络的巡回检测系统研究与设计
第六章  实验测试与分析...............................................................................................43
§ 6.1  系统软硬件调试............................................................................................43
§ 6.2  系统性能测试................................................................................................44
§ 6.2.1  节点通信距离测试............................................................................44
§ 6.2.2  误码率测试........................................................................................46
§ 6.2.3  可视化后台测试................................................................................47
§ 6.3  实验结论......................................................................................................48
第七章  总结...................................................................................................................49
参考文献.........................................................................................................................50

第一章绪论

§ 1.1 课题的背景及意义

§ 1.1.1 工业无线检测网络的现状

工业发达国家和新兴崛起国家为提高其产品在全球市场的竞争力，都力求在

提高生产率的同时，降低包括能源消耗、原材料消耗和劳务成本。对于发达国家而

言，其劳务成本远远高于新兴崛起国家，因此特别重视促进创新和技术进步，采

用新的技术手段。在这场竞争日益激烈的比赛中，无线通信技术在工业中的推广

应用受到了特殊的重视，显然是基于这样的大背景。

在工业环境下任何地点均能安装使用的智能无线传感器及其网络，具有足够

的可靠性和自治处理能力，将为各种生产装置配备实时共享的数据采集能力，从

而在提高生产率，改善产品质量，降低成本上发挥着重要作用。

在欧洲，从 2004 年10 月至 2005 年4月，集中了 25 个组织（大小公司和研

究所）制定一个名为RUNES，在未来10 年内无线技术在工业控制和自动化发展

应用的路线图。旨在及时而牢固地抓住无线网络为工业系统安装和运行的高度灵

活性和成本优势创造的机会。他们的目标是：到 2008 年将安装成本降低 50%，运

行成本降低 30%；到2014 年将安装成本降低 80%，运行成本降低 50%。

最近几年，随着 Zigbee 技术和无线传感器网络概念的兴起，人们愈加关心无

线技术在监控领域的应用前景。ABB 在瑞典的 Boliden 加工厂曾经利用Ember 的

无线技术进行无线通信评估试验，结果表明对于实时数据，当节点较少时，通过

网络拓扑进行 5次接力（hop），运行结果很好，在延迟、稳定性和功耗等方面均

符合要求，适用于工业过程控制、状态检测等领域。

作为自动化行业的龙头企业，西门子自动化与驱动集团自行开发的 SIMATIC

网络工业无线以太网成功的应用到了城市燃气换热战监控网络和立体车库控制系

统中，以其可靠、安全的特点获得好评。

美国德州某工厂的流程控制车间已经布置了工业无线以太网络用于监控。在

我国，上海泰阳工业控制设备公司开发的监控系统已经应用了无线网络技术。

目前，无线通信已迅速进入了工控领域的现场设备层，以下是近年来若干具

有象征意义的行动和产品，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。

2004 年Honeyell 推出基于 ZigBee 无线传输协议的无线变送器XYR 5000 系列，

可精确检测表压力、绝对压力、温度，还有专门为能提供4-20 mA 接口的各种传感

基于无线网络的巡回检测系统研究与设计

器转为无线输出。

OMRON 推出无线连接DeviceNet 现场总线主站WD30-ME 和从站WD30-

SE，最多可支持 DI/DO 各1600 点的通信，已成功应用于丰田汽车装配线的控制

系统中。

德国 Schild Knecht 公司推出的无线 Profibus-DP 产品 DE 3000 系列，可在主

站与多个从站间建立无线连接，DE 3000 系列产品使用的载频为 2.4GHz，无线通

信协议为 IEEE802.11b 和IEEE802.15.1。

美国 ISA 学会成立《SP100 用于自动化的无线系统标准》委员会，主要面向现

场仪表和设备，着重在三方面制定标准：运用无线技术的环境、无线通信设备和

系统技术的生命周期，无线技术的应用。

§ 1.1.2 工业无线检测网络的优点

近年来，作为一种工业通信手段，无线技术得到迅猛发展，成为工业通信市

场的增长点，引起越来越多人的关注。对于工业网络化的检测系统而言，使用无

线技术，与使用有线技术相比，有其一定的优势：

1. 节约成本，建立方便。有线通信的建立必须通过物力链路，布置线缆费时

费力，有时由于某些工业环境（如高温高压）及其地理位置的特殊性，不易布线

即使建好以后，还易遭受雷击、环境的腐蚀及鼠虫的齿咬；一旦出现故障，不但

不易查找，而且也不易维修。相比而言，使用无线技术无需布线，故障诊断容易

可以借助网络进行远程诊断。

2. 追加节点，扩展性强。一个通信网络建好之后，往往会因某些原因增加新

的设备节点，如果采用有线方式就要追加布线，更极端的情况可能破坏原来的通

信链路。但是，如果采用无线组网，就可以在已有的无线网络的基础上，增加无

线接入点，通过修改少量的软件设置就可以达到扩展节点的目的。

3. 移动灵活，不受限制。对于工业无线检测网络的节点而言，只要它能执行

自己的功能，即可把节点放置到某个工业区域的任何地方，物理移动有着很大的

自由性。

4. 抗干扰强，安全可靠。无线技术有自己的安全协议，有独特的加密算法，

不易被窃听；由于采用了扩频或跳频技术，具有良好的抗干扰性，这在恶劣的工

业环境中极为重要。

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摘要近年来，工业测控已从传统单机仪器、局部自动测控系统发展到全分布式的网络化测控系统。网络化是现代测控技术的主要特点之一。一个工业网络测控系统的典型结构是以Ethernet作为系统中的核心网，以工业级的现场总线作为本地设备节点间的传输媒介。现场总线本质安全、数据传输速率高、传输距离远，并且有着较好的抗干扰性能。但是物理链路受到空间位置限制，网络扩展性差，这是有线方式的不足。随着无线通信技术的发展，尤其是一些短距离、非标准无线射频协议的无线技术的兴起，工业无线网络在测控领域展现了良好的应用前景。本文就巡回检测系统的功能要求，提出了一套基于无线技术的解决方案，该方案组网简单，健壮性强，具有较好的实...

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