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彭瑜
（1938－）
男，湖南長(cháng)沙人，教授級高級工程師，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，長(cháng)期從事工業(yè)過(guò)程控制系統的研究開(kāi)發(fā)工作，1993年獲國務(wù)院特殊津貼，現任中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )儀表與裝置專(zhuān)業(yè)委員會(huì )常務(wù)委員，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì )常務(wù)理事，中國儀器儀表學(xué)會(huì )專(zhuān)家委員會(huì )委員。
關(guān)注工業(yè)自動(dòng)化一定會(huì )關(guān)注無(wú)線(xiàn)通信在工業(yè)廣泛領(lǐng)域的應用前景。而無(wú)線(xiàn)通信涉及的技術(shù)極其廣泛和復雜。其中，由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是工業(yè)測量控制的基礎性技術(shù)，所以才引起了眾多科技工作者持久的研究開(kāi)發(fā)熱情。本文想就這方面的應用進(jìn)展和相關(guān)標準的開(kāi)發(fā)作一概述。文中引用的材料一部分來(lái)源于有關(guān)的自動(dòng)化網(wǎng)站，一部分來(lái)源于一些國際性自動(dòng)化技術(shù)協(xié)會(huì )如HART通信基金會(huì )的內部文件。當然，經(jīng)過(guò)作者的消化、整理和理解，不免帶有作者自己在近些年在此領(lǐng)域做了一些研究之后形成的看法和傾向。
1 無(wú)線(xiàn)通信在工業(yè)中的應用聚焦于無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)的發(fā)展
進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )已成為工業(yè)發(fā)達國家科研開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器及其網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，估計至少將會(huì )帶來(lái)10%的生產(chǎn)效率改善和減少25%的排放或泄漏。具有足夠的可靠性和自治處理能力、又能在工業(yè)環(huán)境下任何地點(diǎn)安裝使用的智能無(wú)線(xiàn)傳感器及其網(wǎng)絡(luò )，將為各種生產(chǎn)裝置配備實(shí)時(shí)共享的數據采集能力，從而為提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本發(fā)揮重要作用。
無(wú)線(xiàn)系統以電磁波作為傳輸介質(zhì)，避免了有線(xiàn)系統安裝成本高、維護成本高、價(jià)格不斷上升、接插件的故障率高、查找接插件的故障困難等限制，提供了低成本、靈活性和使用方便等競爭優(yōu)勢。一些具有前向思維的企業(yè)洞察工業(yè)無(wú)線(xiàn)系統的巨大潛力，對此給予極大關(guān)注。而現場(chǎng)儀表和傳感器的無(wú)線(xiàn)傳輸表現出諸如安裝和維護成本低、更換方便、便于升級、減少接插件故障、移動(dòng)自由且不受限制、投運快速，可以實(shí)際利用MEMS（微機電系統）技術(shù)等前所未有的優(yōu)勢，更成為當前最受重視的領(lǐng)域之一。
對于無(wú)線(xiàn)的工業(yè)應用，當前出現的新動(dòng)態(tài)是使用高傳輸率、無(wú)須申請頻率許可證、低價(jià)的技術(shù)。無(wú)線(xiàn)通信距離與具體應用（工廠(chǎng)自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化和SCADA系統）強烈相關(guān)，一般大致在150毫米至80公里。當前影響無(wú)線(xiàn)系統廣泛應用的主要障礙是：工業(yè)環(huán)境和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的狀態(tài)。工業(yè)環(huán)境對無(wú)線(xiàn)通信的挑戰有：工作環(huán)境溫度由-40℃—+70℃；高濕度（當溫度為40℃濕度 95%時(shí)不結露）；本質(zhì)安全防爆要求；固定設備和移動(dòng)設備對無(wú)線(xiàn)傳輸路徑的影響（衰變、中斷和發(fā)生各種各樣的缺陷，諸如頻散、多徑時(shí)延、干擾、與頻率有關(guān)的衰減，節點(diǎn)休眠、節點(diǎn)隱蔽和與安全有關(guān)的問(wèn)題）等。
無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢無(wú)可置疑。估計再過(guò)四、五年，即2010年前，從技術(shù)的角度講大多數儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都可以嵌入無(wú)線(xiàn)傳輸的功能。由于無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表的優(yōu)點(diǎn)一定要體現在就地長(cháng)期供電（如電池、太陽(yáng)能電池等），也即形成數據傳輸無(wú)線(xiàn)、電源供給無(wú)線(xiàn)的全無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。從這個(gè)意義上講，在高速控制的場(chǎng)合要實(shí)現足夠低功耗高可靠的無(wú)線(xiàn)傳輸是相當困難的，因而至少在相當的時(shí)間內不適合應用。但是實(shí)踐證明，對大多數監控和慢速控制場(chǎng)合，它足夠可靠；也就是說(shuō)可以用在將近80%的自動(dòng)化和過(guò)程控制場(chǎng)合。在過(guò)程控制和制造自動(dòng)化領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)傳輸目前主要用于設備資產(chǎn)管理和狀態(tài)監測（維護），而基本上不考慮應用于生產(chǎn)運行的實(shí)時(shí)控制。如果說(shuō)有所應用，也是使用于相當慢的過(guò)程中緩慢變化的參數（如溫度控制和一部分流量控制）?；蛘呤怯糜跍y量可通過(guò)無(wú)線(xiàn)、控制則由操作人員決策而非自動(dòng)的閉環(huán)控制場(chǎng)合，如行車(chē)、起重機。這主要基于以下兩方面的考慮：無(wú)線(xiàn)傳輸的信號在接收過(guò)程中存在漏碼或丟包、衰減和阻塞，以及射頻干擾。
在現有的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)中，紅外線(xiàn)傳輸不能繞過(guò)障礙物，應用面窄；藍牙技術(shù)傳輸距離太短、功耗及成本還不夠低、開(kāi)發(fā)較復雜，都限制了它的推廣應用；無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)IEEE 802.11/Wi-Fi技術(shù)就其本質(zhì)而言，目前尚屬于無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，要構成Mesh拓樸和自組織網(wǎng)絡(luò )尚需時(shí)日。唯有問(wèn)世3—4年的IEEE 802.15.4短程無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，才真正具備低成本、低功耗、高可靠性、組網(wǎng)方便簡(jiǎn)捷的綜合優(yōu)勢，是受到普遍重視的無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)絡(luò )，也是當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的首選技術(shù)?；贗EEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議，是一種按短距離的監控和控制要求而設計的通信技術(shù)。它采用2.4GHz頻道，可實(shí)現包括點(diǎn)對點(diǎn)、星型、網(wǎng)狀等多種拓撲結構，在低信號噪聲比的環(huán)境下其位誤碼率達到10-9，提供由芯片實(shí)現AES-128加密算法，且組網(wǎng)方便，功耗又低。其核心技術(shù)包括：①實(shí)現網(wǎng)狀拓撲結構的組網(wǎng)技術(shù)，即自組織（ad hoc）網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，特別是考慮到實(shí)用情況下的路由優(yōu)化。②保證在工業(yè)環(huán)境下無(wú)線(xiàn)信息傳輸的安全性和可靠性及全網(wǎng)自適應跳頻。③在保證數據傳輸的質(zhì)量的前提下，實(shí)現全網(wǎng)運行的低功耗。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）是指一類(lèi)為傳感器、執行器和控制器之間提供冗余、容錯的無(wú)線(xiàn)連接的嵌入式通信產(chǎn)品。目前WSN正處在發(fā)展階段，遠未成熟。打上WSN標簽的產(chǎn)品除了能提供冗余、容錯的無(wú)線(xiàn)連接外，還有遠遠超過(guò)傳統的點(diǎn)對點(diǎn)的解決方案的特性：自組網(wǎng)、低功耗和低安裝成本，等等。WSN具有自組織(self-organizing)和自愈(self-healing)智能，因此當WSN中的任意節點(diǎn)發(fā)生故障，或從網(wǎng)絡(luò )中退出，WSN會(huì )將這個(gè)別節點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò )中隔開(kāi)，并另行建立數據傳輸的路由，保證高度的傳輸可靠性。理想的WSN中每個(gè)節點(diǎn)都能實(shí)現低功耗，獨立供電；能適應環(huán)境的變化，能以零維護保證長(cháng)期穩定工作。
2 ISA SP100—自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現無(wú)線(xiàn)系統的標準
美國儀表系統和自動(dòng)化學(xué)會(huì )的ISA SP100標準委員會(huì )正在加緊制定自動(dòng)化和控制環(huán)境下實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信系統的標準，推薦實(shí)踐指南、技術(shù)報告和相關(guān)的信息。標準主要面向現場(chǎng)儀表和設備。著(zhù)重在三方面予以規范：①運用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的環(huán)境， ②無(wú)線(xiàn)通信設備和系統技術(shù)的生命周期， ③無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用。
SP100將在工業(yè)自動(dòng)化和控制環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)應用劃分為監控、控制和安全應用三大類(lèi)，有細分為六小類(lèi)（見(jiàn)表1）。這種分類(lèi)既考慮無(wú)線(xiàn)通信在實(shí)際使用條件下必須滿(mǎn)足的要求，又體現了這些無(wú)線(xiàn)通信應用的時(shí)間屬性。
* 屬于監控的第5類(lèi)應用，是指不產(chǎn)生直接操作結果的數據和消息，譬如歷史數據的采集，為預防性維護而必須進(jìn)行的周期性采集的數據，事件順序記錄數據的上傳（這類(lèi)似于文件傳遞，不能因通信類(lèi)型而發(fā)生數據丟失，但又非像控制信號那樣必須考慮時(shí)間性），其它的上裝和下載。
* 屬于監控的第4類(lèi)應用，是指通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸那些只在短時(shí)間內產(chǎn)生操作結果的數據和消息，例如基于事件的維護而必須采集的數據，為測試需要而發(fā)往現場(chǎng)的限界動(dòng)作所產(chǎn)生的臨時(shí)而短暫的結果，無(wú)線(xiàn)設備上的電壓低限指示器所產(chǎn)生的告知更換電池的信號等等。
* 第3類(lèi)開(kāi)環(huán)控制是指在回路中還有人在起著(zhù)作用，例如操作人員手動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)信號裝置且注視著(zhù)這個(gè)裝置，遠程指導開(kāi)啟一個(gè)安全門(mén)，操作人員執行手動(dòng)調節泵/閥門(mén)等。
* 第2類(lèi)閉環(huán)監督控制，通常并非關(guān)鍵部位，如不頻繁的串級控制，多變量控制、優(yōu)化控制所形成的設定值等。
* 第1類(lèi)閉環(huán)調節控制，一般均為關(guān)鍵回路，如現場(chǎng)執行器的直接控制，頻繁的串級控制等。
* 第0類(lèi)恒為關(guān)鍵的緊急行動(dòng)，包括安全聯(lián)鎖，緊急停車(chē)，自動(dòng)消防控制等。
表1 SP100在工業(yè)自動(dòng)化和控制環(huán)境中的六類(lèi)無(wú)線(xiàn)應用：
至于通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸的報警信號，也根據具體應用場(chǎng)合分屬以上由0類(lèi)至5類(lèi)。例如：0類(lèi)報警是指那些具有自動(dòng)響應的、致命有毒氣體的泄漏檢測器信號（如對污染的自動(dòng)響應）；1類(lèi)報警是指具有自動(dòng)響應的、對流程狀態(tài)會(huì )帶來(lái)高度（見(jiàn)圖1）影響的信號（如自動(dòng)停止反應的停車(chē)信號）；2類(lèi)報警是指對流程狀態(tài)自動(dòng)響應的信號（如要對某種參與反應的流體做分流處理）；3類(lèi)報警是指對流程狀態(tài)作手動(dòng)啟動(dòng)的操作響應的信號（如由操作人員判斷是否分流至另一并行的反應器）；4類(lèi)報警是指有關(guān)設備狀態(tài)的報警，以通知維護人員在短時(shí)間內到達現場(chǎng)；5類(lèi)報警指那些有關(guān)設備狀態(tài)的報警，要求維護人員采取長(cháng)期維護的動(dòng)作。 表2 無(wú)線(xiàn)通信系統在工業(yè)環(huán)境下應用應達到的各種要求： 表3給出無(wú)線(xiàn)系統應達到的成本分解說(shuō)明。將所有這些有關(guān)成本應達到的要求概括起來(lái)，就是無(wú)線(xiàn)系統的成本目標 是 有線(xiàn)系統的二分之一，并且不致增加任何維護成本。 表4給出無(wú)線(xiàn)系統應達到的兼容性和規?？蓴U可縮目標。概括起來(lái)說(shuō)就是無(wú)線(xiàn)系統的底層結構應支持不同供貨商提供的無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備，即采用世界通用的無(wú)線(xiàn)頻帶（如2.4GHz），每個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可有100個(gè)路由中繼節點(diǎn)，容納1000個(gè)無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備而不致干擾現有的無(wú)線(xiàn)設備，與支持其它無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的設備具有共存性。 表5把無(wú)線(xiàn)通信的性能要求分別用通信可靠、反應速率、適于閉環(huán)控制和在現場(chǎng)支持點(diǎn)對點(diǎn)的控制這4項來(lái)表述?？偟膩?lái)說(shuō)，把這些具體的要求歸結為一句話(huà)，那就是：在工業(yè)環(huán)境下采用無(wú)線(xiàn)通信應該做到像有線(xiàn)數字通信網(wǎng)絡(luò )那樣可提供和支持閉環(huán)控制。 表6是關(guān)于無(wú)線(xiàn)系統的信息安全的要求。一言以蔽之，就是要保持信息安全的過(guò)程具有智能特性，以保證網(wǎng)絡(luò )安全和消息傳送安全。表7是要保證現場(chǎng)設備以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行就地接入。表8是無(wú)線(xiàn)系統應達到的服務(wù)質(zhì)量QoS分類(lèi)，按所傳送的信號性質(zhì)分別要求服務(wù)質(zhì)量為立即、按預定時(shí)間傳送、可等待一定時(shí)間傳送和高吞吐量數據。 3 正在制定中的SP100.和11SP 100.14 Emerson的智能無(wú)線(xiàn)解決方案是世界上第一個(gè)將自組織網(wǎng)絡(luò )技術(shù)用于工業(yè)應用的示范工程。過(guò)去三年中，在北美和歐洲幾個(gè)現場(chǎng)試驗的結果證實(shí)，其數據傳輸的可靠性在99%以上，而安裝成本比同等的有線(xiàn)方案要低90%。該無(wú)線(xiàn)系統的規?？纱罂尚?，最小為5個(gè)節點(diǎn)，而最多可達100,000個(gè)。按支持符合SP100規定的第1至第5類(lèi)應用設計，目前已經(jīng)過(guò)現場(chǎng)實(shí)際考驗的應用為第3至第5類(lèi)，即開(kāi)環(huán)控制類(lèi)和監控類(lèi)。Emerson 公司的 SmartPowerTM創(chuàng )新，保證無(wú)線(xiàn)設備所用電池壽命因實(shí)際應用場(chǎng)合不同可達5至15年。在信息安全方面，Emerson宣稱(chēng)使用了加密、授權、驗證、抗感染和密鑰管理等技術(shù) ，并經(jīng)第三方安全專(zhuān)家的認可，足以保證穩妥可靠的信息安全。該系統可以用在各種流程制造業(yè)，包括煉油、石化、化工、制漿和造紙以及水和廢水處理等，也可用在石油和天然氣采集、輸油或輸氣管線(xiàn)及生產(chǎn)平臺的遠程監控。 這里還要指出，網(wǎng)格拓撲時(shí)間同步協(xié)議TSMP解決了網(wǎng)絡(luò )所有的構成節點(diǎn)共享發(fā)送、接收和休眠的精確時(shí)間同步。在對電池功耗有嚴格要求的場(chǎng)合（如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN），這是十分關(guān)鍵的。只有全部節點(diǎn)的同步喚醒和同步休眠，才能實(shí)現電池的長(cháng)壽命。TSMP與其它WSN所用的信標策略不同，它考慮到信標策略會(huì )要求偵聽(tīng)窗口長(cháng)時(shí)間投入工作，從而消耗電池的功率，所以不在每個(gè)數據幀的起始處設一同步信標，代之以TSMP節點(diǎn)保持一個(gè)精確的時(shí)間讀出，還要通過(guò)與相鄰節點(diǎn)交換補償信息來(lái)保證同步。這個(gè)補償值與標準的ACK確認消息一起傳送，因此沒(méi)有額外的時(shí)間和功率開(kāi)銷(xiāo)。這一共同的時(shí)間讀出信號保證網(wǎng)絡(luò )具備了許多優(yōu)點(diǎn)：帶寬可預先配置，確保了極可靠的發(fā)送和自干擾為零；發(fā)送節點(diǎn)在每次發(fā)送時(shí)可有效地改變頻率，而接收節點(diǎn)可保持鎖步；以可預見(jiàn)和有條理的方法來(lái)調節帶寬的增減，以適應數據流的突增或突減。
英國石油公司（BP）在經(jīng)過(guò)相當規模和許多不同的應用場(chǎng)合的無(wú)線(xiàn)通信試驗后其負責主持試驗的CTO指出：實(shí)際對這些類(lèi)別（不包括0類(lèi)）的應用需求，大致是按以下的比例 1：2：4：10：10（見(jiàn)圖1）。這就是說(shuō)，第四、五類(lèi)應用是大量的，如隊狀態(tài)（振動(dòng)，溫度/壓力）監控；性能（熱交換，環(huán)境狀態(tài)、機械運行狀態(tài)）監控。第三類(lèi)應用（開(kāi)環(huán)控制）也有需求。至于第二類(lèi)和慢速第一類(lèi)應用，將隨著(zhù)用戶(hù)不斷取得經(jīng)驗，在對傳輸延遲、信息安全和穩健性（robustness）等有更好了解之后，而逐漸有所應用 ，以利于更多地引導對此類(lèi)應用的要求。
SP 100 還對無(wú)線(xiàn)通信在工業(yè)環(huán)境下的應用就成本、兼容性和系統的可擴可縮、性能、信息安全現場(chǎng)設備的就地接入，以及服務(wù)質(zhì)量等作了明確規定（見(jiàn)表2）。
圖1 實(shí)際對這些類(lèi)別（不包括0類(lèi)）的應用需求（據BP的首席技術(shù)管）
表3 相對于有線(xiàn)系統來(lái)講，無(wú)線(xiàn)系統應達到的成本分解說(shuō)明：
表4 無(wú)線(xiàn)系統應達到的兼容性和規?？蓴U可縮分解說(shuō)明：
在這里，共存性是無(wú)線(xiàn)通信特有的一個(gè)問(wèn)題。由于在空間中可以任意傳輸頻率不同、協(xié)議不同的各種各樣的無(wú)線(xiàn)電波，且難以受控，所以就回避不了讓它們共存于同一空間，但又要保證彼此間均能正常傳輸的問(wèn)題。圖2示出在相同2.4GHz頻帶的IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4的共存性問(wèn)題可以通過(guò)如下方法解決，即選用802.15.4的15#頻道（正好處于802.11b的1#頻道和6#頻道之間）、20#頻道（正好處于802.11b的6#頻道和11#頻道之間）、25#頻道和26#頻道來(lái)避開(kāi)802.11b的工作頻帶。須知802.11b的發(fā)射功率為802.15.4的30倍。不采用這種方法恐怕很難解決。
表5 相對于有線(xiàn)系統來(lái)講，無(wú)線(xiàn)系統應達到的性能分解說(shuō)明：
圖2 IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4的共存性概念
表6 相對于有線(xiàn)系統來(lái)講，無(wú)線(xiàn)系統應達到的信息安全分解說(shuō)明：
表7 相對于有線(xiàn)系統來(lái)講，無(wú)線(xiàn)系統應達到的就地接入說(shuō)明：
表8 無(wú)線(xiàn)系統應達到的服務(wù)質(zhì)量QoS分類(lèi)：
除上所述而外，SP 100標委會(huì )還成立了專(zhuān)注于低功率無(wú)線(xiàn)傳感器設備的標準化的SP100.14工作組和專(zhuān)注于高帶寬無(wú)線(xiàn)基礎設備和骨干網(wǎng)的標準化的SP100.11工作組。2006年9月份前曾廣泛向全世界征求上述標準的草案。先后提出草案的有：AnalogDevices, Adaptive Instruments, ANI, Apprion, Certicom, Crossbow, Dust Networks, Emerson, GE Global Reseach, Machine Talker, Nanotron, Newtrax, OMNEX, Oak Ridge National Laboratories, Sensicast, Siemens, ST, Texas Instruments, Honeywell,和日本橫河 等。我國的中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所也提出過(guò)方案。由于在這么多草案中有許多非常相近，于是相同或相近的方案便組成了一個(gè)小組。大致形成了4個(gè)小組，分別由幾個(gè)主流供應商牽頭。
WNSIA（Wireless Networks for Secure Industrial Applications, 安全工業(yè)應用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )）組。其方案是基于802.11 Mesh路由的主干網(wǎng)和以星形拓撲為路由通信的無(wú)線(xiàn)傳感器的組合，這兩種通信均采用TDMA（時(shí)分多路存?。┱{度方案。在其方案中無(wú)線(xiàn)傳感器采用了專(zhuān)用的射頻協(xié)議，特別是在2.4GHz采用窄帶跳頻，遭到有關(guān)共存性和可互操作性的質(zhì)疑。WNSIA以Honeywell為主，參加的有： E+H，日本橫河，Flowserve, Omnex Cortrols。
Emerson/Dust 組提出的是基于Dust的網(wǎng)格拓撲時(shí)間同步協(xié)議TSMP（Time Synchronized Mesh Protocol）的全網(wǎng)格無(wú)線(xiàn)傳感器解決方案。該協(xié)議工作于IEEE 802.15.4 的2.4GHz物理層，并規定所有的通信均納入TDMA的時(shí)間槽。通信調度集中控制，所以任意一種環(huán)境變化或傳感器就地的變化，都要求進(jìn)行新的調度計算，并由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調服務(wù)器向所有節點(diǎn)傳播。本方案是所有提出的方案中唯一的全網(wǎng)格結構的方案，完全不用星形、樹(shù)形或簇狀樹(shù)形拓撲。
Sensicast/STG/GE 方案與前述Dust的方案基本相同，差異僅僅在于將集中計算的工作分散由各個(gè)路由節點(diǎn)去完成。系統組建為簇狀樹(shù)形拓撲，每個(gè)路由節點(diǎn)以樹(shù)形拓撲與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)（也起網(wǎng)關(guān)作用）通信。終端節點(diǎn)與路由節點(diǎn)以星形拓撲通信，時(shí)間槽由路由節點(diǎn)分散指定。GE 把公司的信息安全模型揉進(jìn)了這個(gè)提案，并不要求在使用時(shí)為依附于任何已提出的信息安全標準付許可證費用。
Siemens 方案提出星形拓撲的性能與網(wǎng)格拓撲的多樣性和靈活性結合起來(lái)。由于方案不夠具體，尚不得而知如何解決兩種拓撲的性能如何能夠在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中協(xié)調統一。
上述4種方案有以下共同點(diǎn)：IEEE 802.15.4 的2.4GHz物理層和MAC層；自適應跳頻（AdaptiveFrequency Hopping, AFH）；幾乎所有方案都包括TDMA 單元；同時(shí)包含 TDMA和CSMA/CA時(shí)，折衷出現在IEEE 802.15.4 的MAC層，用GTS（有保證的時(shí)間槽）來(lái)支持AFH，在預先規定的時(shí)間槽通信后提供一個(gè)短爭用周期；尚未出現占優(yōu)勢的安全和授權結構，有明顯技術(shù)品質(zhì)的建議需要取得IP 的許可證，而無(wú)需許可的技術(shù)又不能覆蓋安全授權的所有特征。
4 無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)的工業(yè)應用獲得重大突破
在積極制定工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準的同時(shí)，開(kāi)發(fā)和完善滿(mǎn)足SP 100要求的無(wú)線(xiàn)短程網(wǎng)的協(xié)議及其在實(shí)用條件下的驗證工作也一直在大力地推進(jìn)著(zhù)。事實(shí)上，早在SP100標準工作啟動(dòng)之前，ABB 公司在2003年就開(kāi)始了在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運用于開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的工廠(chǎng)試驗；BP 公司也從2004年起在化工產(chǎn)品鐵路槽車(chē)的遠程信息處理、大型運油船引擎的振動(dòng)溫度等參數的監控、油氣管線(xiàn)的腐蝕檢測、潤滑油供應鏈、液化天然氣罐遠程監控、油氣管線(xiàn)侵入者檢測報警、液化天然氣容器跟蹤以及煉油過(guò)程的無(wú)線(xiàn)測量平臺等多個(gè)不同的應用場(chǎng)合進(jìn)行了許多工業(yè)實(shí)驗。Emerson Process Management 在2006年第四季度宣布，在歷經(jīng)三年對多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的評估和工業(yè)應用實(shí)驗后，正式?jīng)Q定采用Dust Networks的網(wǎng)格拓撲時(shí)間同步協(xié)議TSMP技術(shù)，作為其工廠(chǎng)智能無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和解決方案。這一創(chuàng )新的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的采用，使它的著(zhù)名品牌Rosemountú飭勘淥推骱虯TMTM智能設備管理程序和預測維護套件實(shí)現了無(wú)線(xiàn)通信的能力，并完全與DeltaVTM 和Ovationǖ腄CS 產(chǎn)品系列或其它傳統主機構成無(wú)縫連接。圖3示出該公司的三級無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構：現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )（IEEE 802.15.4 和無(wú)線(xiàn)HART）、控制網(wǎng)絡(luò )（IEEE 802.11和IEEE 802.16，即WiMax）和工廠(chǎng)局域網(wǎng)（IEEE 802.11和IEEE 802.16）。
圖3 Emerson Process Management的三級無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構
此外，Emerson還與設備制造商、用戶(hù)和工業(yè)協(xié)會(huì )組織一起，積極支持SP100的標準和HART通信基金會(huì )有關(guān)無(wú)線(xiàn)HART規范制定。并承諾一旦這些標準正式發(fā)布后，所推出的無(wú)線(xiàn)系統可以非常方便地升級，使之完全符合標準。
由圖4中的例子我們便可明白，為什么自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的可靠性大于99%：若通道AB的傳輸可靠性為65%、通道AC的傳輸可靠性為40%、通道AD的傳輸可靠性為85%，盡管全都低于99％，但是在任何需要的時(shí)刻，由A發(fā)至網(wǎng)關(guān)的數據通道會(huì )以大于99%的概率加以傳輸。
圖4 自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的可靠性分析
重要的是TSMP節點(diǎn)只有3種工作狀態(tài)：1）向相鄰節點(diǎn)發(fā)送消息；2）偵聽(tīng)處在發(fā)送狀態(tài)的相鄰節點(diǎn)；3）與嵌入的傳感器或處理器構成接口。對其它的所有時(shí)間而言，該節點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，功耗極低。我們知道，無(wú)線(xiàn)設備的功率有95%是在發(fā)射和接收時(shí)耗掉的。TSMP毫無(wú)例外地而且是主動(dòng)地讓網(wǎng)絡(luò )中所有的節點(diǎn)（包括那些為相鄰節點(diǎn)作消息傳遞接力的節點(diǎn)，即所謂的路由節點(diǎn)）的占空比都只有1%，這就是解決網(wǎng)絡(luò )的所有節點(diǎn)全部由電池供電，并且還能達到長(cháng)壽命的實(shí)際方法。
5 后記
鑒于篇幅所限，無(wú)法將無(wú)線(xiàn)HART規范的進(jìn)展詳細列入，至于這幾年相當火熱的ZigBee為什么不爭取作為SP100.11和SP100.14標準的一個(gè)競爭者，這也許說(shuō)明ZigBee聯(lián)盟的自知之明。顯然，對于工業(yè)應用來(lái)講ZigBee規范還有缺陷。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號