地下工程安全控制-信息传输手段

2023-10-09 理论教育版权反馈

【摘要】：IEEE802.11最初在1997年提出，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准。ZigBee技术在完全采用IEEE802.15.4标准的物理层和媒体接入控制层的基础上规定了网络层和支持的应用服务。表10-2几种主流无线通信协议比较ZigBee技术主要具有低速率、低功耗、低成本、短时延和高安全性等特点。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态唤醒到工作状态只需要15 ms，节点连接进入网络只需要30 ms，进一步节约了能源。

目前，市面上存在着多种无线通信技术，主要有红外（IrDA）、无线射频识别（RFID）、蓝牙（Bluetooth）、Wi-Fi（Wireless Fidelity）、ZigBee等，它们各具特色，各有所长。下面将对这些技术做简单的介绍和分析比较，以便更好地了解它们各自的技术性能和应用领域。

1）红外（IrDA）

该标准采用980 nm的红外线传输数据信息，通信距离通常不超过10 m，并且通信角度不能超过30°。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用和成本低廉的特点。IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在两台设备之间连接，并且存在视距角度问题。

2）无线射频识别（RFID）

这是一种非接触式的自动识别技术。最简单的RFID系统由标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）三部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。其通信距离一般只有几米。在零售业中，RFID被认为是条形码的终结者。

3）蓝牙（Bluetooth）

这是一种用于代替便携或固定电子设备上电缆或连线的短距离无线通信技术。它工作在2.4 GHz的ISM频段上，采用1 600次/s的扩频技术，通信距离为10 m，传输速率能达到3 Mbps。在传输数据信息的同时，还可以传输一路语音信息，这是蓝牙技术的一个重要的特点。然而对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250 KB的系统开销，增加了系统成本和集成复杂性。Bluetooth对每个“Piconet”（微微网）只能配置7个节点的限制，极大地制约了它在大型传感器网络中的应用。

4）Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）

这属于IEEE802.11规范。IEEE802.11最初在1997年提出，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准。IEEE802.11流行的几个版本包括“a”（波段5.8 GHz，带宽为54 Mbps），“b”（波段2.4 GHz，带宽为11 Mbps），“g”（波段2.4 GHz，带宽为22 Mbps）。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。其优异的带宽以大的功耗为代价，大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。这些限制了它在工业场合和其他监测领域的推广和应用。

5）ZigBee

这是一种新兴的无线通信技术。2001年8月，致力于开发近距离、低成本、低功耗、低复杂度、低数据速率无线通信技术的ZigBee联盟成立。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司宣布加入ZigBee联盟，以共同研发“ZigBee”下一代无线通信标准。如今已有包括摩托罗拉、三星等数百家开发商和芯片厂商加入到该行列中。ZigBee技术在完全采用IEEE802.15.4标准的物理层和媒体接入控制层的基础上规定了网络层和支持的应用服务。ZigBee可以工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz三个频段上。我国采用的是2.4 GHz频段。该频段是全球通用的免付款、免申请的工业、科学、医学（ISM）频段。其数据传输速率为250 kb/s。传输距离可达100 m以上。

上述几种无线通信协议各具特点，应用领域也有所不同。表10-2中列出了它们主要性能指标的比较和主要应用领域。其中，ZigBee与其他几种无线通信技术相比，突出特点是应用简单，电池寿命长，有组网能力，可靠性高，以及成本低。ZigBee技术拥有低数据速率和通信范围较小的特点，这也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。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，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。(www.chuimin.cn)

表10-2　几种主流无线通信协议比较

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ZigBee技术主要具有低速率、低功耗、低成本、短时延和高安全性等特点。

（1）低速率。ZigBee技术的数据传输速率只有20～250 kb/s，分别提供250 kb/s（2.4 GHz）、40 kb/s（915 MHz）和20 kb/s（868MHz）的原始数据吞吐率，主要适用于低速率传输数据的应用场景。

（2）低功耗。ZigBee节点一般使用电池供电，在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

（3）低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了开发成本，并且ZigBee协议免收专利费用。ZigBee网络节点的硬件成本一般可控制在1 000元以下。

（4）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态唤醒到工作状态只需要15 ms，节点连接进入网络只需要30 ms，进一步节约了能源。

（5）安全性高。ZigBee提供了三级安全模式。使用接入控制清单，防止非法获取数据，以及采用高级加密标准（ASE-128）的对称密码，以灵活地确定其安全性。

目前，地下工程监测数据无线传输主要采用基于ZigBee+GPRS/GSM/CDMA的无线数据通信终端，也有基于北斗卫星系统的通信方式。然而地下工程监测中的数据采集设备多布置于地下，无法采用类似于北斗卫星的通信方式，因此本系统采用ZigBee+GPRS DTU和CDMA DTU的无线传输方式进行传输，可采用传输两端均为DTU设备的点对多点工作模式，或一端为DTU、一端为无线数据服务中心的中心对多点工作模式。前者需保证控制室的DTU与现场DTU相匹配（均为GPRS或CDMA），后者对现场设备无特殊要求，只要现场信号强，能够保证传输效果即可。鉴于地下工程内通信信息覆盖范围的不同，信号强度也有差别等情况，本系统最终采用中心对多点的工作模式，由安装于采集计算机的无线数据服务中心对现场GPRS DTU或CDMA DTU进行集中管理。

该传输方式具有透明数据传输，无需后台计算机支持，在线时间长，按流量计费，高速传输，组网简单、迅速、灵活，对等数据传输，传输时延小等特点。每个现场的无线传输DTU设备需对应控制计算机的1个COM口，以保证收发指令及数据的一一对应。COM口可通过专业软件在控制计算机上虚拟设置。

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