工业无线控制与检测

1、工业无线控制与检测,赵清湘,无线数据传输在工业控制上的应用,1、无线遥控； 2、无线联锁； 3、控制与检测数据以无线方式传输； ,无线数据传输在工业物联网上的应用,工业物联网是将具有感知、监控能力的各类采集或控制传感或控制器以及泛在网络技术、移动通信、智能分析等技术不断融入到工业生产过程各个环节，使生产过程数据监视更全面，匹配更好的控制措施，从而大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段。,网络是构成工业物联网的核心之一，网络分为有线网络与无线网络。无线控制与检测技术的应用可以使得传感器的布线成本大大降低，有利于传感器功能的扩展，因此吸引了国

2、内外众多企业和科研机构的关注。,无线信号传输的介质,声控 红外 微波 无线电波（射频，RF）,麦克斯韦电磁场理论,结论一. 变化的电场在周围空间（激发）产生磁场。这个磁场实质是由运动电荷产生的。,奥斯特实验,麦克斯韦电磁场理论,结论二：变化的磁场在周围空间（激发）产生电场,法拉第电磁感应实验,麦克斯韦电磁场理论,麦克斯韦电磁场理论两大要点： 【要点1 】变化的磁场在周围空间（激发）产生电场； 【要点2 】变化的电场在周围空间（激发）产生磁场。,变化的电场和磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一的场，这就是电磁场,麦克斯韦电磁场理论,如果在空间某处发生了非均匀变化的电场，就会在空间引起变化的

3、磁场，非均匀变化的磁场产生变化的电场这样，变化的电场和磁场并不局限于空间某个区域，而是由近及远向周围空间传播开去。这种在空间传播的交变电磁场，就是电磁波。,麦克斯韦电磁场理论,按照这样的思路，1888年，德国科学家赫兹经过20年的潜心研究，终于在实验室发现了电磁波的存在。从此，人类进入无线电通信时代。 1893年，特斯拉展示了他的无线通信技术；1898年，特斯拉制造了第一艘无线电遥控船，成为无线电的发明者； 1901年，马可尼成功的实现了跨大西洋无线电通信。,各种电磁波的特点和用途,射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。 用于金属探伤、治疗癌症的放疗 X射线：伦琴射线，穿透力强，拍X光，X射线

4、能够穿透物质，可以用于人体透视，检查金属零件内部的缺陷 紫外线：有着显著的化学效应和荧光效应。杀菌。 可见光：人眼可见的电磁波 红外：热效应强，红外发热，夜视仪、红外成像，红外制导，太阳光的热量主要通过红外线传到地球。 微波：微波炉、微波通信，雷达（无线电定位技术），直线传播 无线电波：广播、通信,电磁波的产生,要产生电磁波，就要产生变化的电磁场，要产生变化的电磁场，就要产生变化的电流； 大小和方向都随时间周期性变化，且变化很快的高频交变电流，称为振荡电流，能产生振荡电流的电路，称为振荡电路；,LC振荡电路,电磁波的发射,1.要有效发射电磁波，振荡电路必须满足两个条件： 要有开放电路 振荡频率

5、足够高,模拟调制,要想让电磁波传送信号，还需让电磁波随信号的变化而变化。为了传送声音、文字、图象等信号，首先要把传递的信号转变成电信号。但这种电信号的频率较低（声音信号频率只有几百至几千赫兹，图象信号频率也不过上万赫兹），不能直接发射出去，需要将这种低频电信号加到高频振荡电流上发射出去，这个过程就是调制。,数字调制,ASK （Amplitude Shift Keying幅移键控），结构简单易于实现，对带宽的要求小，缺点是抗干扰能力差 FSK （Frequency Shift Keying频移键控)相比于ASK需要更大的带宽 PSK (Phase Shift Keying相移键控) 更复杂，但是

6、具有较好的抗干扰能力,无线传感器网络物理层,它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号,一种AM调制器,话筒相当于一个声控滑动变阻器，将声音信号加载到载波信号上，话筒就是调制器。 为了使开放电路中产生振荡电流，常用如图所示的方法，使振荡器的线圈L2靠近开放振荡电路的线圈L1 。当振荡器中产生高频振荡电流时，由于互感作用，就可以在开放振荡电路中产生相同频率的振荡电流，这种方法叫做感应耦合。,电磁波的接收与处理,1）电谐振：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振。 2）使接收电路产生电谐振的

7、过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路。 3）检波：从接收到的高频振荡中“检”出所携带的信号，叫做检波，它是调制的逆过程，因此也叫解调。,天线基本理论,作为无线通信系统中的一个关键部件，天线主要是用来发射或接收电磁波，因此可以将天线看成是无线电磁波的出口与入口。对于发射机，高频电流经过馈线送到发射天线，发射天线将高频电流变成电磁波，向规定的方向发射出去：而对于接收机，则是将来自一定方向的电磁波转换为高频电流，通过馈线送入接收机的输入回路。,ISM频段,ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此频段主要是开放给工业，科学、医学，三个主要机构使用，该频

8、段是依据美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，属于Free License，并没有所谓使用授权的限制。 ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz und 5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。 2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。,315mHz也是我国的ISM频段。,红外线的特点,1、红外线是一种电磁波。它可以实现数据的无线传输。 2、自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273)就存在分子和原子无规则

9、的运动，其表面就不断地辐射红外线。利用这一特性，科学家研制了红外摄像机、夜视仪等设备 3、红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测被诊断设备表面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判据，作出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。 4. 红外成像设备只能反映物体表面的温度。,红外无线传输,红外数据协会(IRDA)将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。红外无线控制不受电磁波干扰，可靠性高。 用近红外作为遥控光源

10、，是因为目前红外发射器件(红外发光管)与红外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池)的发光与受光峰值波长一般为0.8um0.94um，在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。,红外与蓝牙的对比,1距离 红外：对准、直接、0-10米，单对单 蓝牙：10米左右，加强信号后最高可达100米，可以绕弯，可以不对准，可以不在同一间房间，链接最大数目可达7个，同时区分硬件。 2. 速度 红外：慢 蓝牙：快 3. 成本 蓝牙稍贵,结论：随着科学的进步，红外数传已经逐渐在退出市场，逐渐被USB连线和蓝牙所取代。但在家电遥控方面，红外还有着无可替代的作用。,红外

11、遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。 由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰； 电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作； 编解码容易，可进行多路遥控。 因此，红外遥控在家用电器、室内近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用。,红外遥控优点,常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。 应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如下图所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。,红外遥控系统的组成,红外线遥控系统结构图,1、红外发光二极管通常使用砷化镓（Ga

12、As）、砷铝化镓 （GaAlAs）等材料； 2、采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。 3、它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。,红外发光管,红外接收头,红外一体化接收头：其内部含有高频的滤波电路，专门用来滤除红外线合成信号的载波信号（38KH），并送出接收到的信号。当红外线合成信号进入红外接收头，在其输出端便可以得到原先红外发射器发出的数字编码。,遥控器的基本组成如图所示。它主要由形成遥控信号的微处理器芯片、晶体振荡器、放大晶体管、红外发光二极管以及键盘矩阵组成。,红外遥控器（IR）的基本组成,遥控接收

13、器的基本组成,红外遥控接收器的基本组成,红外线遥控接收器的作用是将接收到的红外线遥控信号，经过放大、解调和整形后输出功能指令信号，送至微处理器进行识别和处理。,红外线信号传输协议,常用的红外线信号传输协议有 ITT 协议、 NEC 协议、 Nokia NRC 协议、 Sharp 协议、 Philips RC5 协议、Philips RC6协议，Philips RECS80协议，以及 Sony SIRC 协议等。,NEC码分析,编码采用脉冲位置调制方式（PPM），利用脉冲之间的时间间隔来区分“0”和“1”。,NEC碼分析,協議組成： 引導碼，16bit用戶碼（地址碼），8bit命令碼（數據碼）及

14、其反碼。,引导码: 相当于一把钥匙,单片机只有检测到了引导码出现了才确认接收后面的数据 ,保证数据接收的正确.,操作码: 用户实际须要的编码,按下不同的键产生不同 的操作码,待接收端接收到后根据其进行不同的操作.,用户码: 用来区分各红外遥控设备,使之不会互相干扰。,操作反码: 为操作码的反码,目的是接收端接收到所有数 据之后,将其取反与操作码比较,不相等则表示在传输过程中 编码发生子变化,视为此次接收的数据无效,可提高接收数据 的准确性.,假如要发送一个数据 C8H 其客户码1为 AAH,客户码2为 55H 那么转换成的二进制数为 10101010 01010101 11001000 001

15、10111 再加上引导码要发送的波形就为:,（数据：低位在前，高位在后）,由红外遥控器调节的智能电动阀,微波的特点,微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。 微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。 微波通信是二十世纪50年代的产物。由于其通信的容量大而投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。,微波通信,微波通讯国家通信网的一种重要通信手段。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，普遍适用于

16、各种专用通信网。如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。 利用微波在星体（包括人造卫星、宇宙飞船等航天器）之间进行的通信。它包括地球站与航天器、航天器与航天器之间的通信、以及地球站之间通过卫星间转发的卫星通信。,3. 在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。,微波中继通信示意图,由于微波的频率极高，波长又很短，共在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。,无线电波,1、无

17、线电波是电磁波的一种。频率大约 为 10KHz30GHz，或波长30000m10m的电磁波，由于它是由振荡电路的交变电流而产生的，可以通过天线发射和吸收故称之为无线电波。 2、无线电波频率越低，波长越长传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力也越强。但是低频段单位时间传播的信息量小。 3、高频段频率资源丰富，系统容量大。但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱。,常见工业无线通信模块的分类,ASK（幅移键控）超外差模块，主要用在简单的遥控和数据传送。 无线收发模块，一般要通过单片机控制无线收发数据，一般为FSK （幅移键控）调制模式。 无线数传模块（包括无线串口模块），这种模块厂家已

18、经做了单片机，并且写好了无线通信部分的程序，可直接通过串口收发数据，使用简单，当相对来说成本也比较高。,ASK超外差模块-315/433MHz无线模块,发射模块（发射芯片XC4388 ）,接收模块（XC4366 ）,可以方便地和固定编码电路、滚动码电路及单片机接口,315M固定码无线电遥控器,PT2262/2272 编码/解码芯片 （固定码）,在通常使用中，一般采用 8 位地址码和 4 位数据码，这时编码电路 PT2262 和解码 PT2272 的第 18 脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3 的 8 次方为 6561，所以地址 编码不重复度为 6561 组，只

19、有发射端 PT2262 和接收端 PT2272 的地址编码完全相同，才能配对使用 。,PT2262 编码格式,每个 位用两个脉冲来代表：两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲 表示“F”也就是地址码的“悬空”。,PT2262构成的四位发射电路,编码芯片 PT2262 编码信号包含地址码、数据码、同步码，从 17 脚输出到射频发射。,由PT2272构成的无线接收电路,PT2262 每次发射时至少发射 4 组字码，PT2272 只有在连续三次检测到相同的地址码加数据码才会把 数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动 VT 端(解码有效端)同步为高电平。,315

20、M/433M无线电遥控技术的应用-无线遥控插座,315M/433M无线电遥控技术的应用-移动式无线遥控开关,315M/433M无线电遥控技术的应用-固定式无线遥控开关,315M/433M无线电遥控技术的应用-天车无线遥控器,天车无线遥控器的接线,新一代射频芯片,SiliconLabs（芯科科技，美国），Si4432、Si4438、Si4463等等； Semtech（先科电子，美国）Sx1212、Sx1276、Sx1278等等； TI（德州仪器，美国）CC1101等等 Nordic（挪威）NRF24L01等等,特点： 1、与单片机（MCU）配合，更强的功能； 2、抗干扰能力更强，更远的传输距离；

21、 3、更小的尺寸，利于集成,Sx1278,SX1278是一款基于LoRa扩频跳频技术的无线模块，使其在稳定性、低功耗、抗干扰能力、接收灵敏度等方面都具有优势。,射频芯片的应用1,射频芯片的应用2-无线串口,MCU与无线串口模块之间的连接,无线串口的应用-无线开关量控制器,无线串口的应用-2通道模拟量无线传送,无线数传电台,电台只需要接RS232 或者RS485 就能进行数据收发，就像有线串口一样使用，可广泛应用于PLC无线通信；数据采集设备、监控设备、医疗设备和电子仪器仪表自动化控制；水、电、煤气，暖气自动抄表收费系统；LED屏无线传输文字，图片和无线控制；视频监控云台控制，门禁考勤读卡器等。

22、,无线数传电台的应用,一种无线数据采集系统的结构(modbus模块+数传电台),Modbus模拟量输入模块,Modbus数字量输出模块,Modbus数字量输入模块,主机,什么是无线传感器网络（WSN）,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN) 是由部署在监视区域内大量成本很低的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察值或用户。 正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。 无线传感器

23、网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。,典型的无线传感器网络,主要WSN组网技术,蓝牙 无线局域网（ IEEE802.11b标准,即高速无线网络或Wi-Fi标准 ） Zigbee（ IEEE802.15.4标准，一种低功耗、短距离的无线网络标准）,蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术的比较,能,Wi-Fi通信技术,Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）属于无线局域网的一种，通常是指符合IEEE802.11b标准的网络产品，Wi-Fi可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接。,工业级WIFI芯片,TI的CC3200 乐鑫的ESP8266 联发科

24、的mt7861,工业级WIFI芯片的使用方法,通常WIFI模块的用法都是配合主系统芯片来使用，通过uart串口或者SPI来交换数据； WIFI芯片也可以作为主芯片直接使用，我们可以在上面直接运行程序。,由WI-FI组成的无线传感器网络一般结构,WIFI芯片的应用,实现串口与WIFI无线网络的透明传输,采用TI 公司的 CC3200 芯片,WIFI芯片的应用,WIFI无线串口服务器- RS232/485转WIFI,AP模式: Access Point，提供无线接入服务，允许其它无线设备接入，提供数据访问。 STA模式: Station, 类似于无线终端，STA本身并不接受无线的接入。,WIFI继

25、电器模块,蓝牙技术（Bluetooth）,利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信。 蓝牙技术使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，属于免费的ISM（Industry Science Medicine）频段。 蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其最高的通信速率为1Mb/s，采用时分方式的全双工通信，通信距离为10m左右（如果配置功率放大器可以使通信距离达到100m）。,无线蓝牙串口透传模块,TLSR8266,TI CC2541,蓝牙继电器模块,ZigBee的概念,ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 主要用于近距离无线连

26、接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。,ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。,ZigBee技术特点,功耗低： ZigBee节点工作周期短，收发数据信息功耗低，终端节点可使用休眠模式，在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用624个月 ,低功耗仅仅是对终端节点而言； 成本低： ZigBee设计简单，免专利费； 可靠性高：避免收发数据竞争和冲突机制，数据接收方确认机制避免丢包，网络自组织、自愈能力强，通信可靠； 网络容量大：网络可容纳65,000个设备； 时延短：搜索时延30ms，休眠

27、激活时延15ms,适合工业控制场合； 安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法； 有效范围小：节点之间的有效覆盖范围1075米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定。,ZigBee芯片方案,目前ZigBee的实现方案主要有三种： 1、MCU和RF收发器分离的双芯片方案如： TI CC2420+MSP430 、 FREESCLAE MC13XX+GT60 、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU 2、集成RF和MCU的单芯片SOC方案如： TI CC2530/CC2531 、 FREESCALE MC1321X 、 EM250。 3、Z

28、igBee协处理器和MCU的双芯片方案如： JENNIC SOC+EEPROM、 EMBER 260+MCU在主要的Zigbee芯片提供商中，德州仪器(TI)的Zigbee产品线覆盖了以上三种方案，飞思卡尔、 Ember、 Jennic可以提供单芯片方案， Atmel、 Microchip等其它厂商大都提供MCU和RF收发器分离的双芯片方案。,TI的Zigbee解决方案,芯片CC2530/CC2531/CC2538/CC2630 软件Z-Stack协议栈,Z-Stack 是TI 开发的符合ZigBee规范的业内领先的协议栈。,IAR与Z-Stack协议栈,IAR集成开发环境（IAR EMbed

29、ded Workbench for 8051），由瑞典IAR公司开发，这是一个功能强大的8051系列单片机集成开发环境，支持几乎所有的标准和扩展构架的8051单片机，支持Z-Stack协议栈。 IAR 开发最大优势就是能够直接使用 TI 公司提供的协议栈Z-Stack 进行开发，我们只需要调用API接口函数。 zigbee协议栈可以用于网络通信软件的开发，用户只需要安装zigbee协议栈即可实现zigbee网络通信的开发。,Z-Stack协议栈基本概念-设备类型:,Coordinator(协调器)协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络 ID(也称之为 PA

30、N ID，即 Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。一旦网络建立，协调器的功能就相对于路由器。 Router(路由器)路由器的功能主要是：作为普通设备加入网络，实现多跳路由协助子终端设备完成通讯。需要一直在工作状态。 End-Device(终端设备)终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。,Z-Stack协议栈基本概念-网络拓扑,Z-Stack协议栈基本概念-工作频段,ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、 欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别

31、是16、 1、 10个。,Z-Stack协议栈基本概念-PANID,PANID-个域网地址，用来区分网络，使得同一地区可以存在多个Zigbee网络，其取值范围为0 x00000 x3FFF。,Z-Stack协议栈基本概念-地址,64位IEEE地址，即MAC地址（媒体访问地址，或者称为硬件地址），也称为长地址，全球唯一，由制造商设置。 16位网络地址，也称为短地址，由协调器按照一定的算法分配，用来在网络中鉴别设备和发送数据，在网络中是唯一的。对于协调器来说，短地址始终是0 x0000。,Z-Stack协议栈基本概念-数据传送方式,单播传送：将数据传送给一个已知网络地址的网络设备； 组播传送：将数

32、据传送给多个已知网络地址的网络设备； 广播传送：将数据传送给所有网络设备；,CC2530简介,CC2530是TI开发的一颗真正的系统芯片(SoC) 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。 它结合一个高性能2.4GHz 射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。,SOC：系统级芯片，片上系统，及将CPU、存储器、模拟量、数字量等都集成在一块芯片上，去解决某一特定技术问题的芯片。,CC2530硬件接口, 高性能和低功耗的增强型8051微控制器内核； 适应 2.4GHz IEEE 802.15.4 的 RF 收发器； 32/64/128/256KB系统可编程闪存、支持硬件调试； 21 个通用I/O 引脚（194 mA， 220 mA） 2 个支持多种串行通信协议的强大USART，支持SPI 1个看门狗定时器； 5通道DMA(直接内存存取)传输； 1个AES安全加密协处理器； 具有 8 路输入 814 位 ADC；,CC2530外接传感器, 温湿度数字传感器 热释红外传感器