自动化通讯课件

授课内容 (一)工业自动化通信协议及应用简介

(二)无线通信技术1)数传电台简介2)GPRS简介3)Zigbee简介4)无线扩频技术简介

(三)工业以太网简介

(四)PLC与上位机/DCS系统/变频调速器的通信概述(五)实例讲解授课内容 (一)工业自动化通信协议及应用简介1(一)工业自动化通信协议及应用简介一、通讯协议概念

通讯协议就是当计算机彼此通讯时,所共同遵守的通讯规则与标准。基于这个标准,当两部计算机通过网络进行通讯时,才能了解对方的需求。而针对不同类型的通讯工作,便有不同类型的协议,例如超文件传输协议(HTTP),就是当要在计算机间传输超文件时,所使用的通讯标准。电脑与电脑之间的沟通必须讲述相同的语言，才能互相传输信息，自然资料在国际互联网上传递，每一份都要符合一定的规格（即是相同的语言），否则中国送出的资料，在美国那边要怎么收下呢？这些规格（语言）的规定都是事先在会议桌上讲好的，一般我们称之为“协议”（英文称为Protocol），而这种在网络上负责定义资料传输规格的协议，我们就统称为通讯协议。将通讯协议用到工业自动化上就是工业自动化通讯协议，但是，在有些情况下，要对通讯协议进行修改，才能适应工业自动化的要求。(一)工业自动化通信协议及应用简介一、通讯协议概念2二、常见通讯协议简介

1.RS-232-CRS-232-C是OSI(OpenSystemInterconnectReferenceModel开放式系统互联参考模型)的物理层部分的规格，它决定了连接器形状等物理特性、以0和1表示的电气特性及表示信号意义的逻辑特性。

RS-232-C是EIA（ElectronicIndustriesAssociation电子工业联合会）发表的，是RS-232-B的修改版。本来是为连接模拟通信线路中的调制解调器等DCE(DataCommnicationEquipment数据通信设备)及电传打印机等DTE（DataTerminalEquipment数据终端设备）接口而标准化的。现在很多个人计算机也用RS-232-C作为输入输出接口，用RS-232-C作为接口的个人计算机也很普及。

二、常见通讯协议简介3

RS-232-C的如下特点：采用直通方式，双向通信，基本频带，电流环方式，串行传输方式，DCE-DTE间使用的信号形态，交接方式，全双工通信。RS-232-C在ITU建议的V.24和V.28规定的25引脚连接器在功能上具有互换性。

RS-232-C所使用的连接器为25引脚插入式连接器，一般称为25引脚。DTE端的电缆顶端接公插头，DCE端接母插座。

RS-232-C所用电缆的形状并不固定，但大多使用带屏蔽的24芯电缆。电缆的最大长度为15m。使用RS-232-C在200K位/秒以下的任何速率都能进行数据传输。

42.RS-449

RS-449是1977年由EIA(电子工业联合会)发表的标准，它规定了DTE和DCE之间的机械特性和电气特性。RS-449是想取代RS-232-C而开发的标准，但是几乎所有的数据通信设备厂家仍然采用原来的标准，所以RS-232-C仍然是最受欢迎的接口而被广泛采用。

RS-449的连接器使用ISO规格的37引脚及9引脚的连接器，2次通道（返回字通道）电路以外的所有相互连接的电路都使用37引脚的连接器，而2次通道电路则采用9引脚连接器。

RS-449的电特性，对平衡电路来说由RS-422-A规定，大体与V.11具有相同规格，而RS-423-A大体与V.10具有相同规格。

2.RS-44953.V.35V.35是通用终端接口的规定，其实V.35是对60Hz至108kHz群带宽线路进行48Kbps同步数据传输的调制解调器的规定，其中一部分内容记述了终端接口的规定。

V.35对机械特性即对连接器的形状并未规定。但由于48Kbps-64Kbps的美国Bell规格调制解调器的普及，34引脚的ISO2593被广泛采用。模拟传输用的音频调制解调器的电气条件使用V.28（不平衡电流环互连电路），而宽频带调制解调器则使用平衡电流环电路。3.V.3564.X.21

X.21是对公用数据网中的同步式终端（DTE）与线路终端（DCE）间接口的规定。主要是对两个功能进行了规定：其一是与其他接口一样，对电气特性、连接器形状、相互连接电路的功能特性等的物理层进行了规定；其二是为控制网络交换功能的网控制步骤，定义了网络层的功能。在专用线连接时只使用物理层功能，而在线路交换数据网中，则使用物理层和网络层的两个功能。X.21接口用的连接器引脚也只用15引脚电气特性分别参照V系列接口电气条件的V.10和V.11。数字网的同步都是从属于网络主时钟的从属同步。

自动化通讯75.HDLC（高级数据链路控制规程）

HDLC是可靠性高，高速传输的控制规程。其特点如下：可进行任意位组合的传输；可不等待接收端的应答，连续传输数据；错误控制严密；适合于计算机间的通信。HDLC相当于OSI(OpenSystemInterconnectReferenceModel开放式系统互联参考模型)基本参照模型的数据链路层部分的标准方式的一种。HDLC的适用领域很广，近代协议的数据链路层大部分都是基于HDLC的。6.SDLC（同步数据链路控制）是IBM公司制定的协议，并成为SNA(SystemNetwoekArchitecture系统网络架构)的数据链路控制层协议。实际上也包含于HDLC中。

5.HDLC（高级数据链路控制规程）87.FDDI（光纤分布式数据接口）

FDDI的传输速度为100Mbps，传输媒体为光纤，是令牌控制的LAN（局域网）。FDDI的物理传输时钟速度是125MHz,但实际速度只有100Mbps。可实际连接的工作站数最多有500个，但推荐使用100个以下。FDDI的连接形态基本上有两种：一种是用一次环路和二次环路的两个环构成的环形结构；另一种是以集线器为中心构成树状结构。工作站间的距离用光纤为2KM，用双绞线则为100M。但对单模光纤制定了节点间的距离可以延长到超过2KM以上的标准。

FDDI有三种接口：DAS（双配件站）；SAS（单配件站）；集线器（Concentrater）。通常仅使用一次环路，二次环路作为预备用系统处于备用状态。7.FDDI（光纤分布式数据接口）98.TCP/IP（传输控制协议/Internet协议）TCP是英文TransmissionControlProtocol的缩写，中文翻译与“传输控制通讯协议”。IP是英文InternetProtocol的缩写，中文翻译成“国际互联网通讯协议”。TCP/IP也称为因特网协议集。被用于因特网并广泛用于不同网络的互联。TCP作为IP的上层协议是支持端节点之间通信的传输层协议，可提供面向连接的流式通信形态的应用程序。TCP相当于OSI(开放式系统互联参考模型)第四层（传输层）所提供的服务，具有修正错误、顺序控制、流控制阻塞控制等功能，为各应用程序之间提供可靠的通信。因此通信程序对通信时的错误或阻塞等低层的通信情况勿需考虑即可进行通信。IP是网络的基础性协议。处于OSI七层协议中的第三层（网络层），它规定了INTERNET的网关之间、网关和主机之间的通信协议。IP的功能如下：决定下面应该传送的网关的路由控制功能、根据实际要通信的各个网络以及通信媒体的最大传送单位，把IP的数据报进行分割及重组处理等。

8.TCP/IP（传输控制协议/Internet协议）109.SNMP（简单网络管理协议）

TCP/IP协议集中的网络管理协议。已被普遍采用。使用SNMP的管理模型，对INTERNET进行管理的协议，是在TCP/IP的应用层进行工作的。其优点是，不依赖于网络物理层的属性即可规定协议，对全部网络和管理可以采用共同的协议，管理者和被管理者之间可采用客户/服务器的方式，可称为代理（工具）；如果管理者作为客户机工作，可称为管理器或管理站。代理的功能应该包括对操作系统和网络管理层的管理，取得有关对象的七层信息，并利用SNMP网络管理协议把该信息通知管理者。管理者本身应要求对有关对象的信息存储在代理中所含的MIB（管理信息库）的虚拟数据库中。对SNMP而言，要求能够取得或设置由管理到代理网管对象本身的对象等内容。代理应完成管理器要求回答的内容。同时，代理本身还应把因代理发生的事件通知管理器。

9.SNMP（简单网络管理协议）1110.点到点协议PPP（PointoPointProtocol）

作为RFC1171/1172而制定的PPP,是在点对点线路上对包括IP在内的LAN协议进行中继的Internet标准协议。PPP从作成当初开始就对应于多协议，设计成具有不依存于网络层协议的数据链路。在用PPP对各个网络层协议进行中继时，每个网络层协议必须有某个对应于PPP的规格，这些规格有一些已经存在。PPP的实际安装已经开始，特别是必须适应多协议的路由器厂家积极采用PPP。PPP是由两种协议构成的：一种是为了确保不依存于协议的数据链路而采用的LCP（数据链路控制协议）；另一种为了实现在PPP环境中利用网络层协议控制功有的NCP（网络控制协议）。NCP从其目的出发需要在每个网络层协议都要作规定。NCP的具体名称在对应的网络层协议中有所不同。更准确地说，PPP所规定协议只是LCP，至于将NCP及网络层协议如何放入PPP帧中，要由开发各种网络层协议的厂家进行。PPP帧具有传输LCP、NCP及网络层协议的功能。对利用LCP的物理层规格没有特殊限制。可以利用RS-232-C、RS-422/423、V.35等通用的物理连接器。传输速度的应用领域也没有特别规定，可以利用物理层规格所容许的传输速度。而要采用全双工方式的通信线路。

10.点到点协议PPP（PointoPointPro1211.SLIP（串行线路互联协议）作为UNIX机器所标准装备的WAN(WideAreaNetwork广域网)协议SLIP已广泛普及。SLIP是以RFC914提出的方案，以RFC1055的协议规格公开的，它是面向低速串行线路的协议。将IP信息分组发送到串行线路上时，为了划分信息分组所规定的控制字符的简单规格。SLIP是以串行线路连接装有TCP/IP的机器的规格，既可以使用RS-232-C连接，也可以经过电话网进行调制解调器连接，用途没什么限制。在路由器之间的连接，主机间的连接，主机和路由器的连接都可采用。

11.SLIP（串行线路互联协议）13(二)无线通信技术一、数传电台的概念数传电台（DataRadio）是指借助DSP(DigitalSignalProcessing数字信号处理)技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数字电台和DSP、软件无线电；传输信号也从代码、低速数据到高速数据，可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。目前使用的数据传输电台，主要有模拟电台加MODEM、数字电台、网络图像电台等。数字电台是数字式无线数据传输电台的简称。即采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。区别与模拟调频电台加MODEM的模拟式数传电台，数字电台提供透明RS232接口，传输速率达19.2Kbps，收发转换时间小于10ms，具有场强、温度、电压等指示，误码统计、状态告警、网络管理等功能。1)数传电台简介(二)无线通信技术一、数传电台的概念1)数传电台14数传电台构成图：

AF音频(AudioFrequency)

无线数传电台作为一种通讯媒介，与光纤、微波一样，有一定的适用范围：它提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合。在很多专网领域有广泛的应用。

数传电台构成图：15二、应用

1.电力电气SCADA（监控和数据采集）是一个广阔的市场，包括发电系统、配电自动化、电量管理系统等等。适合用无线电控制的装置，包括杆顶自动开关装置、断路器、电容器组等，尤其是10千伏变压器的监控，其数量十分巨大，为无线数传电台的应用开辟了广阔的空间，因为点多而分散的10KV配变站，恰恰十分适宜数传电台的使用，这一情况在部分省市已经得到了验证。二、应用162.油田、煤矿油田、煤矿等地理环境复杂。油井分布较广，采用人工监控设备和数据采集十分不便，实时性差，有线传输也不方便。无线数传电台是非常理想的数据传输手段，提供实时可靠的监控数据。

3.水文监控、气象、环保水利水文监控、气象、环保水利等部门需要自动采集雨量、水位、流量、蒸发量、空气质量等水文、环境参数的地方，特别适用于偏远山区、地势险要的水文站、监测点。

2.油田、煤矿174．城市水处理、集中供热等市政工程水处理远程实时监控系统是用现代化的通讯技术、计算机技术和自动监测仪器，对各远端设备及水质、流量等参数进行远程实时监控，实现了水处理的自动化、信息化、网络化。城市供热联网，各片区热力站等逐步要求无人职守，采用无线传输数据是理想又经济的方式。

此外无线数传电台还可广泛应用于铁路监控、报警系统、现代工业设施、灌溉、森林等系统或设施中的数据传输。

4．城市水处理、集中供热等市政工程18三、频率范围

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义：一种是指：在驻波比SWR≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降3分贝范围内的频带宽度。

在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上,天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

三、频率范围19四、信道间隔信道指发射接收时占用的频率值。相邻信道之间的频率差值称为信道间隔。规定的信道间隔有25KHz(宽带)、20KHz、12.5KHz(窄带)等。五、信道数量

是指同时进行数据及信号通讯的通道数量，数量越多，信号强度及通信质量越高。

四、信道间隔20一、GPRS的含义

GPRS(GeneralPacketRadioService)是通用分组无线业务的简称，具体来讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，即以分组的“形式”把数据传送到用户手上。因此，GPRS技术可以令手机上网省时、省力、省花费。打个比方，GPRS就好比移动通信设备的ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberLine非对称数字用户线路），而GSM就是普通固定电话线。它突破了GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）全球移动通信系统网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术，可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56Kbps甚至114Kbps。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。2)GPRS简介一、GPRS的含义2)GPRS简介21GSM/GPRS工作过程，如下图所示：GSM/GPRS工作过程，如下图所示：22二、GPRS的特点

1.应用上的特点目前，用手机上网还显得有些不尽人意。因此，全面的解决方法GPRS也就这样应运而生了，这项全新技术可以令您在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接，同时费用又很合理。简单地说：速度上去了，内容丰富了，应用增加了，而费用却更加合理。(1)高速数据传输速度10倍于GSM，更可满足您的理想需求，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，可谓不一般的巨大进步。

二、GPRS的特点23(2)永远在线由于建立新的连接几乎无需任何时间(即无需为每次数据的访问建立呼叫连接)，因而您随时都可与网络保持联系，举个例子，若无GPRS的支持，当您正在网上漫游，而此时恰有电话接入，大部分情况下您不得不断线后接通来电，通话完毕后重新拨号上网。这对大多数人来说，的确是件非常令人恼火的事。而有了GPRS，您就能轻而易举地解决这个冲突。(3)仅按数据流量计费即根据您传输的数据量(如：网上下载信息时)来计费，而不是按上网时间计费也就是说，只要不进行数据传输，哪怕您一直“在线”，也无需付费。做个“打电话”的比方，在使用GSM+WAP(WirelessApplicationProtocol手机上网协议/无线应用协议)手机上网时，就好比电话接通便开始计费；而使用GPRE+WAP上网则要合理得多，就像电话接通并不收费，只有对话时才计算费用。总之，它真正体现了少用少付费的原则。

(2)永远在线242.技术上的特点数据实现分组发送和接受，按流量计费；56~115Kbps的传输速度。由于使用了"分组"的技术，用户上网可以免受断线的痛苦(情形大概就跟使用了下载软件NetAnts差不多)。此外，使用GPRS上网的方法与WAP并不同，用WAP上网就如在家中上网，先"拨号连接"，而上网后便不能同时使用该电话线，但GPRS就较为优越，下载资料和通话是可以同时进行的。从技术上来说，声音的传送(即通话)继续使用GSM，而数据的传送便可使用GPRS，这样的话，就把移动电话的应用提升到一个更高的层次。而且发展GPRS技术也十分"经济"，因为只须沿用现有的GSM网络来发展即可。GPRS的用途十分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等。2.技术上的特点25现在手机上网的口号就是"alwaysonline"、"IPinhand"，使用了GPRS后，数据实现分组发送和接收，这同时意味着用户总是在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。对于继续处在难产状态的中国移动／联通WAP资费政策，如果将CSD(电路交换数据，即通常说的拨号数据，欧亚WAP业务所采用的承载方式)承载改为在GPRS上实现，则意味着由数十人共同来承担原来一人的成本。

GPRS的最大优势在于它的数据传输速度不是WAP所能比拟的。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS手机在今年年初推出时已达到56Kbps的传输速度，到现在更是达到了115Kbps（此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍）。

现在手机上网的口号就是"alwaysonlin26GPRS是以分组交换的方式进行数据传输，由于是分组交换，因此在网络资源的利用率上较电路交换有了很大的提高，而且GPRS可以同时进行语音与数据的传递，并且计费可以完全按照产生的流量来统计。而现有的WAP的承载是电路交换数据（CSD）方式，电路交换数据方式数据与话音不能同时进行，在收费模式上也是按照时长来收费。实际上WAP本身与GPRS本质上不具有可比性，现有WAP上的内容在GPRS上面一样可以浏览和应用，只不过GPRS使现有的CSD方式的WAP更快、更方便、收费更合理，对WAP的服务内容也会由于网络的技术进步而有较大的促进和改善。长远来看，WAP现在用的是CSD(电路交换数据)的GSM数据业务，以后WAP也可以转为使用GPRS这种新的GSM网络作为承载方式。

自动化通讯27所以，GPRS不会取代WAP，举一个形象的例子：GPRS和现在的CSD方式的GSM数据业务都是马路，WAP则是马路上的汽车，WAP现在行驶在两车道上，GPRS提高了数据传送速度，是8车道，可以说GPRS增强了WAP业务，现有WAP上的内容一样可以通过GPRS进行浏览和应用。

GPRS的应用，迟些还会配合Bluetooth(蓝牙技术:一种无线通信标准)的发展。到时，数码相机加了Bluetooth，就可以马上通过手机，把像片传送到遥远的地方，也不过一刻钟的时间，够酷吧，这个日子将距离我们不远了。3.GPRS与GSM比较中表现出的特点相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有171.2kbps的访问速度；在连接建立时间方面，GSM需要10-30秒，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；而对于费用而言，GSM是按连接时间计费的，而GPRS只需要按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM。所以，GPRS不会取代WAP，举一个形象的例子：28三、GPRS服务特点对应的范围1.移动商务；2.移动信息服务；3.移动互联网；4.多媒体业务。四、GPRS的技术优势（1）相对低廉的连接费用资源利用率高在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段，如上Internet浏览、收发E-mail等等。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。

三、GPRS服务特点对应的范围29（2）传输速率高

GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率（最高值为171.2kbit/s）。这意味着在数年内，通过便携式电脑，GPRS用户能和ISDN(IntegraredServiceDigitalNetwork综合服务数字网)用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。（3）

接入时间短分组交换接入时间缩短为少于1GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络（如支持TCP／IP、X.25等网络）之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务。

（2）传输速率高30GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA（TimeDivisionMultipleAddress分时多址）帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达164kb／8。GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。要实现GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。目前GPRS网络引入GSN（GPRSSurportingNode）节点。移动台则必须是GPRS移动台或GPRS／GSM双模移动台。

GPRS采用分组交换技术，它可以让多31五、GPRS的应用

1.GPRS中的WAP应用

GPRS与WAP(WirelessApplicationProtocol手机上网协议/无线应用协议)组合是当前令“手机上网”迈上新台阶的最佳实施方案：GPRS是强大的底层传输，WAP则作为高层应用，如果把WAP比作飞驰的车辆，那么GPRS就是宽阔畅通的高速公路，任您在无线的信息世界中随意驰骋。

2.设备上的应用

GPRS可以在除蜂窝电话之外的多种设备中得以实现，包括膝上型电脑的PCMCIA调制解调器、个人数字助理的扩展模块和手提式电脑。当前流行的手提式E-mail设备BlackBerry（黑莓）的制造商ResearchinMotion（RIM)于一个称为MicrocellTelecommunications的GSM供应商合作，研究如何将GPRS用于其他无线系统消息的传送。

五、GPRS的应用323.GPRS业务应用自从首次实现文本信息传输以来，无线数据应用已经历了飞跃式的增长，单是看看欧美知名厂商大肆宣传通用分组无线业务(GPRS)的劲头，似乎也能让人感到下一代移动数据应用时代的即将来临。将在99年底或是2000年初开启的通用分组无线业务GPRS，作为迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑，将使移动通信与数据网络合二为一，使IP业务得以引入广阔的移动市场。尽管目前移动数据的使用相对较少，但在某些市场中，不同的用户群却正在快速发展，其推动力量主要是在移动领域中采用数据业务的商业市场。不论是爱立信、诺基亚还是阿尔卡特，几乎所有宣传GPRS的厂商都以商业用户市场的快速成长来游说运营商。

GSM系统的分组移动数据通信（即GPRS）是基本分组无线业务，采用分组交换的方式，数据速率最高可达164kb／、它可以给GSM用户提供移动环境下的高速数据业务，还可以提供收发Emai1、Internet例览等功能。

3.GPRS业务应用334.GPRS功能对应的业务应用

GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络（如支持TCP／IP、X.25等网络）之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务。

GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达164kb／8。GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义GPRS专用信道。要实现GPRS网络，需要在传统的GSM网络中引入新的网络接口和通信协议。目前GPRS网络引入GSN（GPRSSurportingNode）节点。移动台则必须是GPRS移动台或GPRS／GSM双模移动台。

4.GPRS功能对应的业务应用34六、GPRS与GPS

两者完全不属于一个技术范畴，根本不可相提并论。据介绍，GPS(GlobalPositionSystem)意为“全球卫星定位系统”，是一种定位技术，用来确认物体的经纬度位置，至少十年内不会有比GPS更先进的定位技术。而GPRS意为“通用分组无线数据服务”，只是一种数据传输方式，用来传递数据组群，如同发送手机短信息，不具备任何定位或防盗抢功能。GPRS可说是GPS中的一个部件，为GPS技术应用中起到一种传输数据的功能。如GPS领军企业“赛格车圣”的产品，就有几款是采用GPRS方式来传送数据。六、GPRS与GPS35一、Zigbee技术基础知识

Zigbee(Zig:之字形bee:蜜蜂)是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag(之字形)形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。3)Zigbee简介一、Zigbee技术基础知识3)Zigbee36简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA(码分多址CodeDivisionMultipleAccess:基于扩频技术的一种崭新而成熟的无线通信技术）和GSM网络（全球移动通信系统GlobalSystemforMobileCommnication），ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网（码分多址CDMA—CodeDivisionMultipleAccess:基于扩频技术的一种崭新而成熟的无线通信技术）或GSM网(全球移动通信系统GSM-GlobalSystemforMobileComummnication)，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，扩展后可达到几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

例如，你可以通过互联网在西安监控新疆某地的一个Zigbee控制网络。

简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络37不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币;每个Zigbee网络节点不仅本身可以与监控对对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料;除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据38二、Zigbee技术的应用领域Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：1．需要数据采集或监控的网点多；2．要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；3．要求数据传输可性高，安全性高；4．设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；5．电池供电；6．地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；7．现有移动网络的覆盖盲区；8．使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。9．使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

二、Zigbee技术的应用领域39三、Zigbee技术的特点1.低功耗:在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi(WirelessFidelity基于IEEE802.11b标准的无线局域网)可工作数小时。2.低成本:通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。

3.低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。4.近距离:传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

三、Zigbee技术的特点405.短时延:ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3~10s、WiFi需要3s。6.高容量:ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。7.高安全:ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。8.免执照频段:采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球)(ISM)频段。

5.短时延:ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作41四、Zigbee的发展前景Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的时期。

尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这们新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。

四、Zigbee的发展前景42五、Zigbee和现有移动网（GPRS，CDMA-1X）的比较GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)

1．无网络使用费：使用移动网需要长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量计算的，而Zigbee没有这笔费用；2．设备投入低：使用移动网需要购买移动终端设备，每个终端的价格在人民币1000元上下，而使用Zigbee网络，不仅Zigbee网络节点模块（相当于基站）费用每只人民币不到1000元，而且，主要使用的网络子节点（相当于手机）的价格还要低得多；3．通信更可靠：由于现有移动网主要是为手机通信而设计的，尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信数率比设计速率低很多，而且数据通信的可靠信也存在一定的问题。而Zigbee网络则是专门为控制数据的传输而设计的,因而控制数据的传输具有相当的保证。五、Zigbee和现有移动网（GPRS，CDMA-1X）的434．高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同,功能不同的Zigbee网络节点，以及其它非Zigbee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个Zigbee局部自动化控制网，（这个网络可以是星型，树状，网状及其共同组成的复合网结构）再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控；5．比起现有的移动网来，尽管Zigbee仅仅只是一个局域网，覆盖区域有限，但它却可以与现有的移动网，互联网和

其它通信网络相连接，将许多Zigbee局域网相互连成为一个整体。有效的解决移动网的盲区覆盖问题：我们知道，现有移动网络在许多地方存在盲区，特别是

铁路，公路，油田，矿山等野外，更是如此。而增加一个移动基站或直放站的费用是相当可观的，此时使用Zigbee网络进行盲区覆盖不仅经济有效，而且往往

是现在唯一可行手段。

4．高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同,功能不44六、Zigbee与现有数传电台的比较1．可靠性高：由于Zigbee模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因而可靠性更高；2．使用方便安全：因为集成度高，比起一般数传电台来，Zigbee收法模块体积可以做得很小，而且功耗低，例如成都西谷公司远距离传输模块（2-5公里），最大发射电流比一个CDMA（码分多址）手机还要小许多，因而很容易集成或直接安放在到设备之中，不仅使用方便，而且在户外使用时，不容易受到破坏；3．抗干扰力强，保密性好，误码率低：Zigbee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK,ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力，和更远的传输距离；参阅我们网站中有关CDMA直序扩频技术的优越性讨论，和Cypress公司有关实

验报道。六、Zigbee与现有数传电台的比较454．免费频段：Zigbee使用的是免费频段，而许多数传电台所使用的频段不仅需要申请，而且每年都需要向国家无委会交纳相当的频率使用费。5．价格低：

Zigbee数传模块的价格只有具有类似功能的数传电台的几分之一；(2.4G,250kps,3-5公里距离DSSS数传模块每只不到1000元人民币)。

4．免费频段：Zigbee使用的是免费频段，而许多数传电46一、

扩频通信的定义无线扩频通信简称扩展频谱通信(SpreadSpectrumCommunication)，又称扩频技术是近年发展非常迅速的一种技术，将其用于无线局域网中，必将使系统的各项性能得到改善，已成为无线局域网中不可缺少的一种技术。它不仅在军事通信中发挥出了不可取代的优势，而且广泛地渗透到了通信的各个方面，如卫星通信、移动通信、微波通信、无线定位系统、无线局域网、全球个人通信等。所谓扩频通信，可简单表述如下：它是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。

4)无线扩频技术简介一、

扩频通信的定义4)无线扩频技术简介47二、扩频通信的理论基础长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢?简单的回答就是主要为了通信的安全可靠。扩频通信的基本特点，是传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(DF)，其比值称为处理增益Gp:Gp=W/DF......(1)众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1.7---3.1kHz，电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，Gp值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的Gp值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。

二、扩频通信的理论基础48扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。信息论中关于信息容量的仙农(Shannon)公式为：C＝WLog2(1十P/N)......(2)式中：C---信道容量(用传输速率度量)W---信号频带宽度P---信号功率N---白噪声功率式(2)说明，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比P／N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比P／N(S／N)情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式：

扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公49Powj?f(E/N。)......(3)式中：Powj---差错概率E---信号能量N。---噪声功率谱密度因为，信号功率P＝E／T(T为信息持续时间)噪声功率N＝WN。(W为信号频带宽度)信息带宽DF＝l／T则式(3)可化为：Powj?f(TW.P/N)=f(P/N.W/DF)......(4)式(4)说明，对于一定带宽DF的信息而言，用Gp值较大的宽带信号来传输，可以提高通信抗干扰能力，保证强干扰条件下，通信的安全可靠。亦即式(4)与式(2)一样，说明信噪比和带宽是可以互换的。总之，我们用信息带宽的100倍，甚至1000倍以上的宽带信号来传输信息，就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。

Powj?f(E/N。)......(3)50扩频通信的主要性能指标：处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。处理增益G也称扩频增益(SpreadingGain)它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比：G＝W／DF在扩频通信系统中．接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。

扩频通信的主要性能指标：处理增益和抗干扰容限是扩51抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：Mj=G－[(S/N)out+Ls]其中：Mj---抗干扰容G---处理增益(S／N)out---信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比Ls---接收系统的工作损耗例如,一个扩频系统的处理增益为35dB．要求误码率小于l0－5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out＜10dB，系统损耗Ls＝3dB，则干扰容限Mj＝35－(10+3)＝22dB，这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作，也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于－22dB的环境下正常工作。

抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作52三、扩频技术的分类扩频技术包括以下几种方式：直接序列扩展频谱，简称直扩（DS），跳频（FH），跳时（TH），线性调频（Chirp）。此外，还有这些扩频方式的组合方式，如FH/DS、TH/DS、FH/TH等。在通信中应用较多的主要是DS、FH和FH/DS。1．直扩（DS）频技术将实际传送的数据加在一个事先定义的伪随机码中发送，发送的信号扩展在很宽的频带上。方法是对一直序扩频代码进行相干或差分相干二进制相移键控调制。每一代码C由N位（称chip）组成。假设采用代码C有16位（chip)，lkbit／s的数据基带扩成16kchips／s，则扩频16倍。数据速率高了N倍，带宽也就宽了N倍。在接收端，接收机从噪声中滤出信号，把信号还原到原来很窄的带宽上。

三、扩频技术的分类532．跳频（FH）可以用任一窄带信号来实现，其载频根据扩频跳频序列而随时间跳变。跳频模式可由伪随机序列产生，所以不可预测其下一个跳频位置。在商业用途上，这一跳频模式是短固定模式，使接收机能迅速同步到发送的信号上。跳频有快慢两种，商业上一般用慢跳。四、

扩频通信特征1．是一种数字传输方式；2．带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的；3．在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。无线扩频通信的特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。

2．跳频（FH）可以用任一窄带信号来实现，其载54五、

扩频通信特性扩频通信技术在发送端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以相关解调技术接收信号，这一过程使其具有诸多优良特性：1.很强的抗干扰能力

由于将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频伪随机码不相关，则被扩展到一很宽的频带上，使进入信号通频带内的干扰功率大大降低，相应的增加了相关器的输出信号/干扰比，因此具有很强的抗干扰能力。其抗干扰能力与其频带的扩展倍数成正比，频谱扩展得越宽，抗干扰的能力越强

五、

扩频通信特性552.可进行多址通信扩频通信本身就是一种多址通信方式，称为扩频多址（SSMA－SpreadSpectrumMultipeAccess），实际上是码分多址（CDMA—CodeDivisionMultipleAccess:基于扩频技术的一种崭新而成熟的无线通信技术）的一种，用不同的扩频码组成不同的网。虽然扩频系统占用了很宽的频带，但由于各网可在同一时刻共用同一频段，其频谱利用率甚至比单路单载波系统还要高。CDMA是未来全球个人通信的一种主要的多址通信方式。3.安全保密

由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去，其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中。因此，其保密性很强，要截获或窃听、侦察这样的信号是非常困难的，除非采用与发送端所用的扩频码且与之同步后进行相关检测，否则对扩频信号是无能为力的。由于扩频信号功率谱密度很低，在许多国家，如美、日、欧洲等国家对专用频段、如ISM频段，只要功率谱密度满足一定的要求，就可以不经批准使用该频段。

2.可进行多址通信564.抗多径干扰在移动通信、室内通信等通信环境下，多径干扰是非常严重的，系统必须具有很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频技术具有很强的抗多径能力，它是利用扩频所用的扩频码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。六、扩频通信产品的应用扩频通信产品得到越来越广泛应用，其原因如下：（1）具有防止阻塞能力；（2）抗干扰性强，误码率低；（3）可以与窄带无线通信并存；（4）达到有效地利用频谱；（5）适合数字话音和数据传输；（6）安装方便，成本较低。4.抗多径干扰57扩频技术的优势得到了通信业界的公认。无论在城市区域，如金融、证券信息传输，商业零售点信用卡网，还是工业小区、公安专用网络，或者偏僻的农村、山区、油田，建立扩频数据通信网络是一条投资小、见效快、安装容易、可靠性高的切实可行之路。

扩频通信对话音、数据、图像、高速文件传递、视频等都适用，用途广泛。典型的应用有：（1）区域网点对点、点对多点话音／数据通信；（2）LAN互联；（3）E1（2.048Mbps）连接；（4）电视会议；

（5）“最后一公里”联接；

（6）应急事件、抗灾救险通信。可接到扩频MODEM（调制解调器）的设备有计算机、网桥、路由器、话音／数据复用器、专用分组交换机PBX(PrivateBranch[telephone]Exchange)、视频CODEC（多媒体数字信号编解器）等设备。

扩频技术的优势得到了通信业界的公认。无论在城市区58(三)工业以太网简介一、

以太网以太网（Ethernet/Ethernetnetwork）。指的是由Xerox(施乐)公司创建并由Xerox,Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3(IEEE:电器和电子工程师协会)系列标准相类似。它不是一种具体的网络，是一种技术规范。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在互联设备之间以10至100Mbps的速率传送信息包。直扩的无线以太网可达11Mbps，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性最好。

(三)工业以太网简介一、

以太网59二、以太网主要缺陷在讲以太网的主要缺陷前，有必要先了解一下以太网的通信机制。以太网是指遵循IEEE802.3标准，可以在光缆和双绞线上传输的网络。它最早出现在1972，由XeroxPARC（施乐公司

帕洛阿托研究中心[PARCPaloAltoResearchCenter]）所创建。当前以太网采用星型和总线型结构，传输速率为10Mb/s，100Mb/s，1000Mb/s或更高。以太网产生延迟的主要原因是冲突，其原因是它利用了CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测技术)技术。在传统的共享网络中，由于以太网中所以的站点，采用相同的物理介质相连，这就意味着2台设备同时发出信号时，就会出现信号间的互相冲突。为了解决这个问题，以太网规定，在一个站点访问介质前，必须先监听网络上有没有其他站点在同时使用该介质。，如果有则必须等待，此时就发生了冲突。为了减少冲突发生的机率，以太网常采用1-持续CSMA，非持续CSMA，P-持续CSMA的算法2。由于以太网是以办公自动化为目标设计的，并不完全符合工业环境和标准的要求，将传统的以太网用于工业领域还存在着明显的缺陷。但其成本比工业网络低，技术透明度高，特别是它遵循IEEE802.3协议为各现场总线厂商大开了方便之门，但是，要使以太网符合工艺上的要求，还必须克服以下缺陷：二、以太网主要缺陷602.1确定性由于以太网的MAC(介质访问控制子层协议)层协议是CSMA/CD，该协议使得在网络上存在冲突，特别是在网络负荷过大时，更加明显。对于一个工业网络，如果存在着大量的冲突，就必须得多次重发数据，使得网间通信的不确定性大大增加。在工业控制网络中这种从一处到另一处的不确定性，必然会带来系统控制性能的降低。2.2实时性在工业控制系统中,实时可定义为系统对某事件的反应时间的可测性。也就是说，在一个事件发生后，系统必须在一个可以准确预见的时间范围内做出反映。然而，工业上对数据的传递的实时性要求十分严格，往往数据的更新是在数十ms内完成的。而同样由于以太网存在的CSMA/CD机制，当发生冲突的时候，就得重发数据，最多可以尝试16次之多。很明显这种解决冲突的机制是以付出时间为代价的。而且一但出现掉线，那怕是仅仅几秒种的时间，就有可能造成整个生产的停止甚至是设备，人身安全事故。

2.1确定性612.3可靠性由于以太网在设计之初，并不是从工业网应用出发的。当它应用到工业现场，面对恶劣的工况，严重的线间干扰等，这些都必然会引起其可靠性降低。在生产环境中工业网络必须具备较好的可靠性，可恢复性，以及可维护性。即保证一个网络系统中任何组件发生故障时，不会导致应用程序，操作系统，甚至网络系统的崩溃和瘫痪。三、

工业以太网针对以太网存在的三大缺陷和工业领域对工业网络的特殊要求，目前已采用多种方法来改善以太网的性能和品质，以满足工业领域的要求。下面介绍几种解决机制：

2.3可靠性623.1交换技术为了改善以太网负载较重时的网络拥塞问题，可以使用以太网交换机（switch）。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术。各个冲突域之间用交换机连接，以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。这样可以尽量避免冲突的发生，提高系统的确定性，但该方法成本较高，在分配和缓冲过程中存在一定的延时。3.2高速以太网我们知道当网络中的负载越大的时候，发生冲突的慨率也就越大。有资料显示当一个网络的负菏低于36%时，基本上不会发生冲突，在负荷为10%以下时，10M以太网冲突机率为每五年一次。100M以太网冲突机率为每15年一次。但超过36%后随着负荷的增加发生冲突的慨率是以几何级数的速度增加的。显然提高以太网的通信速度，就可以有效降低网络的负荷。幸运的是现在以太网已经出现通信速率达100M/S，1G/S的高速以太网，在加上细致全面的设计及对系统中的网络结点的数量和通信流量进行控制，完全可以采用以太网作为工业网络。3.1交换技术633.3IEEE1588对时机制

IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分配对象有关的精确同步时钟的协议（PTP）。此协议并不是排外的，但是特别适合于基于以太网的技术，精度可达微秒范围。它使用时间印章来同步本地时间的机制。即使在网络通信时同步控制信号产生一定的波动时，它所达到的精度仍可满足要求。这使得它尤其适用于基于以太网的系统。通过采用这种技术，以太网TCP/IP协议不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统之中。在区域总线中它所达到的精度远远超过了现有各种系统。此外，在企业的各层次中使用基于以太网TCP/IP协议的网络技术有着巨大的优势。

3.3IEEE1588对时机制64一个包括IEEE1588对时机制的简单系统至少包括一个主时钟和多个从属时钟。如果同时存在多个潜在的主时钟，那么活动的主时钟将根据最优化的主时钟算法决定。所有的时钟不断地与主时钟比较时钟属性，如果新时钟加入系统或现存的主时钟与网络断开，则其他时钟会重新决定主时钟。如果多个同步时钟的协议（PTP）子系统需要互联，则必须由边界时钟来实现。边界时钟的某个端口会作为从属端口与子系统相联，并且为整个系统提供时钟标准。因此这个子系统的主时钟是整个系统的原主时钟。边界时钟的其他端口会作为主端口，通过边界时钟的这些端口将同步信息传送到子系统。边界时钟的端口对子系统来说是普通时钟。

一个包括IEEE1588对时机制的简单系统至少包65IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作，使以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的，不影响控制精度的范围。IEEE1588的一大优点是其标准非常具有代表性，并且是开放式的。由于它的开放性，现在已经有许多控制系统的供应商将该标准应用到他们的产品当中了。而且不同设备的生产商都遵循同样的标准，这样他们的产品之间也可以保证很好的同步性。

IEEE1588所定义的精确网络同步66四、工业以太网的应用4.1．工业以太网&商用以太网以太网经受了时间的考验，如今已成为世界上广泛采用的网络技术，并以迅猛的速度向各个领域扩展。但以太网要进入工业控制领域还需解决一些问题，以太网采用了载波侦听多路访问/碰撞（冲突）检测（CSMA/CD）的传输规范，这无法满足工业控制中的实时性、确定性、可重复性等方面的要求;此外，现有的高层协议也无法满足工业控制的要求。对于上面谈到的问题，一方面，各大PLC厂商先后推出了各自的高层协议，如Rockwell推出的EtherNet/IP，西门子推出的Profinet，施耐德推出的ModbusTCP，它们有的是在现有的标准以太网协议基础上增加了适用于工业应用的高层协议，有的是基于现有标准以太网作了一定的修改。另一方面，以太网交换机的出现，特别是工业以太网交换机的出现，解决了CSMA/CD规范中的碰撞（冲突）检测问题，和交换机相连的所有端口上的设备可以没有冲突的全双工通讯。上述两个方面问题的解决使得以太网进入工业控制领域成为可能。

四、工业以太网的应用674.2．工业以太网的应用现状工业以太网在控制系统中的应用主要有两个方面：(1)连接HMI(集线器管理模块)和PLC控制系统，目前在国内超过95%的应用都是这种类型的。由于以太网结构简单、成本低廉，有很好的灵活性和兼容性而且有较大的网络带宽，各主要PLC厂家都推出了支持以太网接口的PLC和相关的通讯模块。所以目前HMI和PLC系统的连接越来越多的采用以太网方式。N-TRON交换机支持目前市场上流行的各种工业以太网。(2)取代现有的工业现场总线，连接变频器和远程IO。目前在国内这种应用例子还比较少，可供选择的适用于工业现场控制的以太网线缆、连接头还不够多，施工布线规范、接地、抗干扰措施等方面的问题还需进一步摸索。

4.2．工业以太网的应用现状684.3.工业以太网环网冗余技术以太网本身并不支持环状拓扑结构，工业上对于以太网环状拓扑的应用主要是系统冗余，提高可靠性的需求。环状拓扑结构的系统在任何一段线路发生故障时都能够在一段很短的时间内自动恢复。目前环拓扑结构通常有两种主流的技术：（1）STP（SpanningTreeProtocol生成树协议）、RSTP（快速生成树协议）技术:生成树协议是一种二层管理协议，它通过有选择性地阻塞网络冗余链路来达到消除网络二层环路的目的，同时具备链路的备份功能，一旦某段链路故障，其冗余链路可以自动打开，从而达到网络冗余的功能。一个网络系统的重构时间当采用STP最新版本只能达到30S左右，但采用RSTP的最新版本能够达到1S左右。N-TRON9000系列产品支持最新版本的RSTP，所以采用N-TRON9000交换机基本上能够满足大多数的HMI监控系统的要求。

4.3.工业以太网环网冗余技术69（2）专有Ring(环路)技术:由于早期的生成树协议所能达到的网络重构时间不能满足工业监控的要求，各工业以太网交换机厂商先后推出了专有的Ring技术，在一个环路里有个交换机充当Ringmanager功能，当环路中任一段链路出现故障时，环路的通讯会在一段时间内恢复。目前市场上典型的自愈时间在300~500ms,N-TRON交换机可以达到100ms以内。

（2）专有Ring(环路)技术:由于早期的生成树协议所能达704.4．工业以太网交换机的监控目前，在大多数工业监控系统中，工艺流程中的温度、压力、流量等都被作为监控对象放在HMI软件里实时监控，其中相当一部分是通过工业以太网交换机连接过来的。我们在关注工艺流程参数的同时往往忽视了对网络自身运行状态的监控。其中一个很重要的原因是，多数工业以太网交换机厂商来自IT(InformationTechnology信息技术)领域，IT领域对网络、交换机的监控管理采用的是SNMP（简单网络管理协议）。但工控领域的工程师通常熟悉的是DDE(动态数据交换)、OPC（OLEforProcessControl）之类的协议接口，所以对于交换机和工业以太网自身健康状况的监控一直被搁置了。但越来越多的用户意识到对网络、交换机健康运行状态监控的重要性，于是各工业以太网交换机厂商提供了SNMP到OPCServer的转换软件包，而目前市场上流行的HMI软件都支持OPC，这样就能把对网络状况的监控有机的结合到目前的HMI监控系统中。

4.4．工业以太网交换机的监控71N-TRON公司同样能提供这类软件包，但通常这类软件包都非常的昂贵，而且SNMP中定义的很多数据并没有必要放在工业监控系统中。所以N-TRON公司额外提供了一个的很强大N-View功能，即提供了一个免费的OPCServer软件，它可以每6秒从网络中的