[摘要]本文通过对工业控制网络发展现状的分析，讨论了工业控制网络对无线技术的需求。并详细介绍了IEEE802.11b无线局域网标准，在此基础上介绍了基于无线技术的网络化智能传感器的概念及其在工业控制网络中的一种应用方案。[关键词]控制网络以太网TCP/IP无线局域网IEEE80.211b智能传感器一、工业控制网络发展现状随着计算机和网络技术的发展，以智能仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把工业控制网络带入了一个新的时代。然而现[摘 要] 本文通过对工业控制网络发展现状的分析，讨论了工业控制网络对无线技术的需求。并详细介绍了IEEE 802.11b无线局域网标准，在此基础上介绍了基于无线技术的网络化智能传感器的概念及其在工业控制网络中的一种应用方案。
[关键词] 控制网络 以太网 TCP/IP 无线局域网 IEEE 80.211b 智能传感器

一、工业控制网络发展现状
随着计算机和网络技术的发展，以智能仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把工业控制网络带入了一个新的时代。然而现场总线仍存在很大的局限性。首先，现场总线主要是低速网络，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，主要用于数据采集和控制信号的输出，只能实现一些简单的控制算法。其次，目前出现了Profibus、FF、LonWorks、CAN-等多种现场总线，现场总线没有一个统一的标准，各种现场总线产品之间很难实现互操作。现场总线自身技术的局限性以及多种总线标准共存的局面，限制了现场总线技术在工业控制网络中的进一步发展。

随着Internet技术的不断发展，以太网和TCP/IP协议已成为世界范围内的事实标准，基于TCP/IP协议的以太网可以满足工业控制系统各个层次的需求。与以往的工业控制网络相比，基于以太网的工业控制网络具有很多优势。以太网有更高的通信带宽，能够满足不断增长的数据通信的需要。通过TCP/IP协议，可以方便的实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。而且，以太网设备价格低廉，实现简单，能够大大降低控制系统的成本。而随着高速以太网和交换式以太网技术的发展，以太网作为工业控制网络在实时性方面的问题正逐渐得以解决。种种迹象表明，基于以太网的工业控制网络将成为下一代工业控制网络的重要选择，并将带来工业控制网络新的变革。

二、工业控制网络对无线网络的需求
基于TCP/IP协议的有线以太网为工业控制网络带来了新生。然而，在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆。（例如，建有坚实的混凝土地板和大跨度天花板的建筑物或厂房，或者电缆必须铺入超净或真空封闭的房间）。其他一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其它无线电控制设备的干扰。更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传输数据信息。而无线局域网技术却很容易解决这些问题。

三、无线局域网的协议标准介绍
IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入。业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mb/s。IEEE802.11委员会提出的无线局域网协议体系如图1所示。IEEE802.11只规定了开放式系统互联参考模型（OSI/RM）的物理层和介质访问子层（MAC），其MAC层利用载波监听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）协议，而在物理层，IEEE802.11定义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩展频谱方式（FHSS）以及直接序列扩展频谱方式（DSSS）。由于IEEE802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC层和物理层。
IEEE802.11b物理层支持5.5Mb/s和11Mb/s两个新速率，并且使用动态速率漂移，可因环境变化，在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之间切换，且在2Mb/s、1Mb/s速率时与IEEE802.11兼容。
IEEE802.11a工作的工作频段为5GHz，物理层速率可达54Mb/s。采用正交频分复用（OFDM）的扩展频谱技术，可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务。

下面主要介绍IEEE 802.11b无线网络标准。
1． 无线局域网的物理层
无线局域网同传统有线局域网的区别，表现在物理层上就是无线局域网一般用无线电作为传输介质，而不是传统的电缆。对于IEEE 802.11b无线局域网，有三种可选物理层：跳频扩频（FHSS）物理层、直接序列扩频（DSSS）物理层和红外线（IR）物理层。物理层的选择取决于实际应用的要求。跳频扩频和直接序列扩频是通信技术中两种常用的扩展频谱技术，用以提高无线信道的利用率和数据通信的安全性。目前大多数基于IEEE 802.11b的无线局域网产品的物理层介质工作在2.4000~2.4835GHz的无线射频频段（ISM频段），采用直接序列扩展频谱技术以提供高达11Mbps的数据传输速率。

2． 无线局域网的MAC协议
原则上讲，无线局域网的MAC协议和有线局域网的MAC协议并无本质上的区别。然而，由于无线传输媒体固有的特性以及移动性的影响，无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。例如，IEEE 802.3的MAC层采用CSMA/CD来使各个不同的站点共享同一物理信道。而实现CSMA/CD的一个重要前提是，各站点能够非常容易地实现冲突检测功能。在有线局域网（如以太网）的情况下，可根据检测电缆线上直流分量的变化容易地实现冲突检测。然而在使用无线传输媒体时，由于以下的原因，很难实现冲突检测。

1） 冲突检测的能力要求各站能同时发送（发送自己的信号）和接收（决定其他站的传输是否干扰自己的传输），这将增加信道的花费。
2） 更重要的是，由于隐藏终端问题的存在，即使一个站有冲突检测的能力，并已经在发送时检测到冲突，在接收端仍然会有冲突发生。
鉴于以上原因，无线局域网协议标准IEEE 802.11b采用了一种具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）协议实现无线信道的共享。

一种简单的CSMA/CA可实现如下：在数据包传输之前，无线设备将先进行监听，看是否有其他无线设备正在传输。若传输正在进行，该设备将等待一段随机决定的时间，然后再监听，若没有其他设备正在使用介质，该设备开始传输数据；因为很有可能在一个设备传输数据的同时，另一个设备也开始传输数据，为了避免此类冲突造成的数据丢失，接收设备检测所收到的分组的CRC，如果正确，则向发送设备传输一个确认信息（acknowledgement）以指示没有冲突发生。否则，发送设备将重复上述CSMA/CA过程。

为了使两个无线设备同时进行传输（这将导致冲突）的可能性减到最小，802.11设计者使用称为发送请求/清除以发送（RTS/CTS）的机制。例如：若数据到达无线节点指定的无线访问点（AP），该AP将给那个无线节点发送一个RTS帧，请求一定量的时间向它传输数据，无线节点将用CTS帧进行回应，表示它将阻止任何其他的通信，直到AP发送完数据为止。其他无线节点也能听到正在发生的数据传输，并把它们的传输延迟到那段时间之后。在这种方式下，数据在节点之间进行传递时，由设备导致的在介质上产生冲突的可能性最小。这种传输机制同时解决了无线局域网中的隐藏终端问题。
为了确保数据在传输中不丢失，CSMA/CA还引入了确认（ACK）机制，接收者在收到数据后，向发送单元发一个确认通知ACK。若发送者没有收到ACK，表明数据丢失，将再次传输该数据。

3． 无线局域网实时性性能分析
IEEE 802.11b无线局域网标准在媒体访问控制层采用CSMA/CA协议以实现无线信道的共享。在网络负荷较轻的情况下，发生冲突的机会很少，再加上一些无线网络产品采取了一些附加的措施，甚至可以完全避免冲突的发生。如Wi-LAN的无线产品AWE 120-24无线网络桥接器利用动态时间分配轮询的方式：当有多个无线远端设备要与基站通信时，基站会根据远端站的ID依次询问各个远端站是否有数据要发送，如果有数据要发送，就给其分配时间片，如果没有，则会继续向下询问，周而复始。这里的所谓动态轮询是指用户可以设置基站的轮询方式，对于非活动站减少对其询问的次数，这样可以保证时间片不会被浪费。动态时间分配轮询技术完全避免了冲突的发生，可以获得比CSMA/CA更好的实时性。这使得无线技术在工业控制网络中的应用成为可能。

四、基于无线技术的网络化智能传感器介绍
计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了"基于无线技术的网络化智能传感器"的全新概念。这种智能传感器的原理框图如图2所示。它集成了数据采集、数据处理和无线网络接口模块（如图3所示），无线网络接口模块底层网络接口（硬件接口）采用基于IEEE 802.11b的网络接口芯片，高层网络接口（软件接口）采用TCP/IP协议，把TCP/IP协议作为一种嵌入式应用，即把TCP/IP协议固化到智能传感器的ROM中，使得现场数据的收发都以TCP/IP协议进行。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。
五、无线技术在工控网络中的一种应用方案

通过使用基于无线技术的网络化智能传感器，结合目前市场上出现的各种基于IEEE 802.11b的无线局域网网桥，就可以实现无线局域网技术在工业控制网络中的一种应用方案。如图4所示。在这里，无线局域网网桥用作无线访问点（AP），基于无线技术的网络化智能传感器采集现场数据、处理，并以TCP/IP协议对数据进行打包，通过无线链路发送到AP，由于无线链路和有线以太网高层均采用TCP/IP协议，且低层协议对高层协议是透明的，就实现了无线网络和有线网络的无缝连接。通过Internet，就可以实现远程监

五、结束语
无线局域网技术能够在工厂环境下，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高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。在一些特殊环境下有效地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。随着微电子技术的不断发展，各种无线模块体积越来越小，价格越来越便宜，智能现场设备集成无线模块将更加方便、灵活。无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。