WiFi(模块)在工业测控中的应用和技术挑战

1、LOGOWiFi(模块模块)在工业测控中在工业测控中的的应用和技术挑战应用和技术挑战目目 录录发发 展展 前前 景景 WiFi WiFi技术技术WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用WiFiWiFi在工业测控应用中的技术挑战在工业测控应用中的技术挑战总总 结结发发 展展 前前 景景工业以太工业以太网网现场总现场总线线仪表电仪表电气气无线网无线网络络工业测控网络的发展历程工业测控网络的发展历程发发 展展 前前 景景v 现代测控系统设计思想是现代测控系统设计思想是: :要完全适应现代测控设备的需求要完全适应现代测控设备的需求; ; 满足工业常用标准信号的远程满足工业常

2、用标准信号的远程传输传输; ; 要在复杂、多变、恶劣的现场环境下安全稳定地运行要在复杂、多变、恶劣的现场环境下安全稳定地运行; ; 便便于安装、使用、管理和重组于安装、使用、管理和重组。可以看到，将有线与无线网络技术可以看到，将有线与无线网络技术集成实现异构的工业测控网络是测控网络的新发展趋势，这也将集成实现异构的工业测控网络是测控网络的新发展趋势，这也将会推动无线网络技术在工业现场测控领域的发展。会推动无线网络技术在工业现场测控领域的发展。为了适应测控环境的多样性、多变性和复杂性，为了适应测控环境的多样性、多变性和复杂性，将有线与无线网将有线与无线网络技术集成实现异构的工业测控网络是测控网络

3、的新发展趋势，络技术集成实现异构的工业测控网络是测控网络的新发展趋势，这也将会推动无线网络技术在工业现场测控领域的发展。这也将会推动无线网络技术在工业现场测控领域的发展。WiFi WiFi 技技 术术无线通信网络技术无线通信网络技术无线通信网络技术在工业现场中的应用已成为继现场总无线通信网络技术在工业现场中的应用已成为继现场总线与工业以太网之后的又一个热点技术线与工业以太网之后的又一个热点技术, 它通过蓝牙通讯、它通过蓝牙通讯、红外通讯、红外通讯、WIFI、无线射频识别技术无线射频识别技术（RFID）等无线通信）等无线通信技术传递工业生产现场的信息技术传递工业生产现场的信息, 能够在工厂环境下

4、为各种智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供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。工业企业对无线网络的需求工业企业对无线网络的需求从最简单的形式来看从最简单的形式来看, , 无线通信网络在工业现场中的应用就是用无线连接无线通信网络在工业现场中的应用就是用无线连接取代铜导线来传输工业过程中的监视和控制信息取代铜导线来传输工业过程中的监视和控制信息, , 如液位、压力、温度、如液位、压力、温度、流量、开流量、开/ /关状态和报警信息等。关状态和报警信息等。可以

5、快速低成本地建立起工作现场的网络可以快速低成本地建立起工作现场的网络; ; 可以很容易的根据应用的改变可以很容易的根据应用的改变, , 对工厂的网络进行快速重新配置和拓扑改变对工厂的网络进行快速重新配置和拓扑改变, , 无需涉及耗时耗费的布线工无需涉及耗时耗费的布线工作作; ; 可以实现与设备的动态数据通信可以实现与设备的动态数据通信, , 现场实现设备的配置和测试现场实现设备的配置和测试, ,。有效地解决一些工业现场有效地解决一些工业现场, , 设备或环境禁止、限制使用电缆或很难使用电设备或环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆缆, , 有线网络很难发挥作用的困境有线网络很难发挥作用的困境,

6、, 使得用户可以在以前无法到达的地方使得用户可以在以前无法到达的地方安装网络安装网络, , 获得监视、测量等操作能力获得监视、测量等操作能力, , 从而方便灵活地使用移动设备从而方便灵活地使用移动设备. .为企业节约大量的电缆和布线成本为企业节约大量的电缆和布线成本为工厂管理提供了高度的灵活性为工厂管理提供了高度的灵活性扩展工业网络的应用范围扩展工业网络的应用范围WiFi 技技 术术WiFiWiFi全称全称Wireless FidelityWireless Fidelity，又叫无线保真技术，又叫无线保真技术, ,是一是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接种短程无线传输技术，

7、能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。它包括入的无线电信号。它包括IEEE802.11aIEEE802.11a、IEEE802.11bIEEE802.11b、IEEE802IEEE802. .11g11g、IEEE802.11nIEEE802.11n等标准，又称等标准，又称802.11802.11标准，是标准，是IEEEIEEE定义的一个无线网络通信的工业标准，使用的是定义的一个无线网络通信的工业标准，使用的是2.4GHz2.4GHz附近的频段。该标准可提供附近的频段。该标准可提供11Mb/s11Mb/s的数据速率的数据速率, ,还能够根据还能够根据情况的变化情况的变化, ,在在11

8、Mb/s11Mb/s、5.5Mb/s5.5Mb/s、2Mb/s2Mb/s、1Mb/s1Mb/s的不同速率的不同速率之间自动切换。目前绝大部分无线网卡是基于之间自动切换。目前绝大部分无线网卡是基于802.11b802.11b标准标准的。的。WiFi 技技 术术WiFi的优点：v 无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有有5050英尺左右，约合英尺左右，约合1515米，而米，而WiFiWiFi的半径则可达的半径则可达300300英尺左右，约合英尺左右，约合100100米。米。v 虽然由虽然由WiFiWiF

9、i技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些， 传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11Mbps11Mbps。v 进入该领域的门槛比较低，并且具备方便与现有的有线以太网络整合的优点，进入该领域的门槛比较低，并且具备方便与现有的有线以太网络整合的优点，组网的成本更低。其网络只需安装一定数量的无线接入点组网的成本更低。其网络只需安装一定数量的无线接入点( ( AccessPointAccessPoint) ) 就可以满足指定区域信号的覆盖。近年来，就可以满足指定区域信号的

10、覆盖。近年来，WiFiWiFi 技术在智能家居、工业控制、技术在智能家居、工业控制、移动手持设备等嵌入式环境中需求日益增多。移动手持设备等嵌入式环境中需求日益增多。WiFiWiFi（模块）在工业（模块）在工业测控中的应用测控中的应用WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用vWiFiWiFi模块实物参考模块实物参考WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用vWiFi模块的优势：随着随着无线网络无线网络的不断兴起和发展，近年来的不断兴起和发展，近年来WiFiWiFi模块的应用领域相模块的应用领域相当广泛！但是当广泛！但是WiFiWiFi模块毕竟

11、是一高频性质的产品，它在生产设计的时模块毕竟是一高频性质的产品，它在生产设计的时候会有一些莫名其妙的现象和问题，让一些没有高频设计经验的工程候会有一些莫名其妙的现象和问题，让一些没有高频设计经验的工程师费劲心思，有相关经验的从业人员，往往也是需要借助昂贵的设备师费劲心思，有相关经验的从业人员，往往也是需要借助昂贵的设备来协助分析！来协助分析！对于对于WiFiWiFi部分的处理，有直接把部分的处理，有直接把WiFiWiFi部分部分LayoutLayout到到PCBPCB主板上去的主板上去的设计，这种设计，需要勇气和技术，因为本身模块的价格不高，设计，这种设计，需要勇气和技术，因为本身模块的价格不

12、高，主板主板对应的产品价格不菲，当有对应的产品价格不菲，当有WiFiWiFi部分产生的问题，调试更换比较麻烦，部分产生的问题，调试更换比较麻烦，直接报废可惜；所以很多设计都愿意采用模块化的直接报废可惜；所以很多设计都愿意采用模块化的WiFiWiFi部分，这样可部分，这样可以直接让以直接让WiFiWiFi部分模块化，处理起来方便，而且模块可以直接拆卸，部分模块化，处理起来方便，而且模块可以直接拆卸，对于产品的设计风险和具体的耗损也有很大帮助。对于产品的设计风险和具体的耗损也有很大帮助。WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用硬件设计需求主要考虑以下几个方面：硬件设计需

13、求主要考虑以下几个方面：v 通信接口方面通信接口方面：近年来基本是采用：近年来基本是采用UARTUART接口形式，接口形式，PCIEPCIE和和SDIOSDIO的也有的也有少部分，少部分，PCIEPCIE的市场份额应该不大，多合一的价格昂贵，而且实用性的市场份额应该不大，多合一的价格昂贵，而且实用性不强，集成的很多功能都不会使用，其实也是一种浪费。不强，集成的很多功能都不会使用，其实也是一种浪费。v 供电方面：供电方面：多数是直接采用多数是直接采用3.3V3.3V供电，有的也会利用主板设计中的电供电，有的也会利用主板设计中的电源共享，用源共享，用5V5V供电转换为供电转换为3.3V3.3V。v

14、 天线的处理形式：天线的处理形式：可以有内置的可以有内置的PCBPCB板载天线或者陶瓷天线；也可以板载天线或者陶瓷天线；也可以通过通过I-PEXI-PEX接头，连接天线延长线，然后让天线外置。接头，连接天线延长线，然后让天线外置。v 规格尺寸方面：规格尺寸方面：这个可以根据具体的天线设计要求，通常是这个可以根据具体的天线设计要求，通常是4040* *20MM20MM左右的设计多点左右的设计多点( (基本是板载天线和陶瓷天线多，也有外置天线接头基本是板载天线和陶瓷天线多，也有外置天线接头) )。v 跟外设硬件连接的形式跟外设硬件连接的形式: :可以直接可以直接SMT,SMT,也可以通过也可以通过

15、2.542.54的排针来做插的排针来做插件连接件连接( (这种组装这种组装/ /维修方便维修方便) )。WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用系统总体结构系统总体结构WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用v 在工业现场中，通过在原有的有线以太网测控系统中融入在工业现场中，通过在原有的有线以太网测控系统中融入WiFiWiFi无线技术实现数据通信来满足实际需求，那么就需要无线技术实现数据通信来满足实际需求，那么就需要设计实现设计实现WiFiWiFi无线终端和无线终端和WiFiWiFi无线接入点。无线接入点。v WiFiWiFi无线终端通过

16、无线终端通过SPISPI总线与现场设备通信。系统所设计总线与现场设备通信。系统所设计的节点能够通过的节点能够通过SPISPI接口读取工业现场的传感器、检测器、接口读取工业现场的传感器、检测器、PLCPLC等设备数据，通过等设备数据，通过WiFiWiFi无线模块实时地将数据发送给无线模块实时地将数据发送给WiFiWiFi无线接入点，然后上传至主站无线接入点，然后上传至主站PLCPLC。WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用无线终端节点硬件设计无线终端节点硬件设计：v其硬件主要包括核心处理器，电源电路，WiFi 无线模块，SPI，LED 指示灯，软硬件复位电路。WiF

17、iWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用v 核心处理器采用的是核心处理器采用的是AtmelAtmel公司的公司的AT91RM9200AT91RM9200处理器。处理器。AT91RM9200AT91RM9200微处理器外扩了微处理器外扩了FLASHFLASH存储器和存储器和SDRAMSDRAM存储器，存储器，前者存放程序运行的代码，而后者储存现场采集到的数据。前者存放程序运行的代码，而后者储存现场采集到的数据。当任务运行时，程序代码将从当任务运行时，程序代码将从FLASHFLASH存储器复制到存储器复制到SDRAM SDRAM 存储器中运行，提高系统速度。复位电路包括硬件复

18、位电存储器中运行，提高系统速度。复位电路包括硬件复位电路和软件复位电路，硬件复位采用路和软件复位电路，硬件复位采用IMP811SIMP811S芯片，能保证芯片，能保证其可靠复位；软件复位电路采用最简单的其可靠复位；软件复位电路采用最简单的RCRC复位电路，复位电路， 软件复位主要用来恢复初始设置。串口主要用来调试程序。软件复位主要用来恢复初始设置。串口主要用来调试程序。WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用v SPI SPI 是一种串行同步通信协议，由一个主设备和一个或多是一种串行同步通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通信，

19、从个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通信，从而完成数据的交换。而完成数据的交换。v SPI SPI 总线通信是基于主从模式，使用总线通信是基于主从模式，使用4 4条线：条线：主机输出主机输出/ /从机输入线（从机输入线（MOSIMOSI）主机输入主机输入/ /丛机输出线（丛机输出线（MISOMISO）串行时钟线（串行时钟线（SCKSCK）低电平有效的丛机选择线（低电平有效的丛机选择线（SSSS）。WiFiWiFi无线终端作为主机与现场设备通信，可以通过无线终端作为主机与现场设备通信，可以通过SPISPI总总线挂载多个设备。线挂载多个设备。WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块

20、）在工业测控中的应用嵌入式软件设计：嵌入式软件设计：v操作系统的移植操作系统的移植vWiFiWiFi无线模块驱动移植无线模块驱动移植v应用程序的设计应用程序的设计WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用v操作系统的移植：操作系统的移植：vWiFiWiFi终端选用嵌入式终端选用嵌入式Linux2.6Linux2.6作为操作系统。作为操作系统。LinuxLinux具有广泛的硬件支持特性，几乎能够运行于具有广泛的硬件支持特性，几乎能够运行于现有的所有流行现有的所有流行CPU CPU 上。上。v操作系统移植包括：操作系统移植包括：引导加载程序（引导加载程序（Bootload

21、erBootloader）内核裁剪内核裁剪配置与编译配置与编译根文件系统移植根文件系统移植WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用应用程序设计：应用程序设计：v程序主要包括两部分：程序主要包括两部分：WiFiWiFi无线通信无线通信和和SPISPI数据采数据采集集。无线通信采用网络套接字（。无线通信采用网络套接字（SocketSocket）编程，）编程，首先打开套接字，将其初始化为数据流套接字，首先打开套接字，将其初始化为数据流套接字，并开始监听，之后调用并开始监听，之后调用AcceptAccept（）函数等待主机（）函数等待主机连接（连接（WiFiWiFi无线接入

22、点），连接成功则发送数据；无线接入点），连接成功则发送数据；SPISPI子程序负责采集现场设备数据。子程序负责采集现场设备数据。WiFiWiFi（模块）在工业测控中的应用（模块）在工业测控中的应用WiFiWiFi在工业测控应在工业测控应用中的技术挑战用中的技术挑战WiFiWiFi在工业测控应用中的技术挑战在工业测控应用中的技术挑战WiFiWiFi技术按照其在工业企业通信网络的应用层次技术按照其在工业企业通信网络的应用层次划分划分, ,目前在管理与监控数据传送等方面的应用比较目前在管理与监控数据传送等方面的应用比较成熟成熟, ,而在工业现场控制中则面临许多的技术挑战。而在工业现场控制中则面临许多

23、的技术挑战。因为工业现场控制要求提供强大可靠的接口解决方因为工业现场控制要求提供强大可靠的接口解决方案案, ,以保证工业环境中至关重要的以保证工业环境中至关重要的低延迟高可靠性低延迟高可靠性等等要求要求; ;此外还有此外还有安全性、兼容性安全性、兼容性等问题。等问题。WiFiWiFi在工业测控应用中的技术挑战在工业测控应用中的技术挑战低延迟和可靠性：低延迟和可靠性：与有线技术相比较与有线技术相比较, ,无线信道误码率要高得多无线信道误码率要高得多, ,当采取额当采取额外的措施来保证数据的正确传输时外的措施来保证数据的正确传输时, ,也就增加了更多的延迟也就增加了更多的延迟可能性可能性; WiF

24、i; WiFi技术在网络层同样以技术在网络层同样以IPIP为基础为基础, ,然而然而IPIP网络在网络在出现传输错误时或在网络阻塞阶段会丢失数据包出现传输错误时或在网络阻塞阶段会丢失数据包,TCP/IP,TCP/IP虽虽然提供了数据包的传输控制以避免丢包然提供了数据包的传输控制以避免丢包, ,但是它也在数据包但是它也在数据包交付时间上带来了极大的不确定性。交付时间上带来了极大的不确定性。WiFiWiFi在工业测控应用中的技术挑战在工业测控应用中的技术挑战安全性：安全性：由于无线信号通过空间传播由于无线信号通过空间传播, , 容易受到窃听容易受到窃听, , 企业必企业必须采取适当的机制以保护敏感数据。须采取适当的机制以保护敏感数据。抗干扰能力：抗干扰能力：使得多个无线设备能够在一起互不影响使得多个无线设备能够在一起互不影响, , 并能够经受并能够经受工业现场的其他干扰源工业现场的其他干扰源