一、技术简介 
  
      工业无线技术是一种本世纪初新兴的，面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征。随着工业无线技术进入工业自动化领域，各级制造厂商及终端用户开始把无线技术引入市场，进行更深入的监视和控制整个物理世界。  
      无线传感网络它采用工作于2.4GHz  ISM  射频频段、具有安全、稳健的网格拓扑联网技术，在将所有信息统统打包在一个数据包内，通过与IEEE802. 
      15.4兼容的直序扩频DSSS和跳频技术FHSS进行数据传送，并采用128位加密，保证网络通讯安全。无线传感网络的架构是按照即易于使用、可靠，以及与无线传感器网格型协议相兼容的原则设计。便于使用者更好的应用。
 
二、 系统概述 

      系统分二层结构： 第一层为星型和Mesh结合的拓扑结构的无线传感器网络子系统，第二层为数据分析子系统。无线传感网络子系统处于系统网络的底层，可工作在2.4GHz、900MHz、433MHz等频段下，采用自组织多跳方式进行自组网，采集如压力、温度、流量、振动、有毒气体浓度、电量、电机运行状态等工业现场信息；各个节点将采集到的信息数据通过Mesh网络的路由设备传送到无线网关。无线网关再将接收到采集数据通过以太网、RS485或GPRS传送到上位机供数据分析子系统调用，无线网关还对无线网络拓扑进行管理。数据分析子系统依托计算机的强大计算分析功能，对采集的数据进行存储、计算分析，给出工厂运行的各个实时数据，通过分析为工厂运行及能耗管理提供建议及数据依据。
 
整个系统结构如下图所示。 
 

(二) 无线传感器网络协议
 
      无线传感器网络采用WIA工业无线通讯标准，工业无线网络WIA技术体系是与Wireless HART、ISA100并列为主流的国际工业无线技术体系。 

无线传感器网络协议具有如下特点： 

      网络采用星型和Mesh结合的两层网络拓扑结构。第一层是Mesh结构，由网关设备及路由设备构成；第二层是星型结构，由路由设备及终端设备或手持设备构成。 
●网关：负责网络与工厂内的其它网络的协议转换与数据映射； 
●冗余网关：负责网关的热备份； 
●网络管理者：负责构建由路由设备构成的Mesh网络；监测全网性能； 
●安全管理者：负责路由设备及终端设备的密钥管理与安全认证； 
　　协议栈结构遵循ISO/OSI的层次结构，由协议层实体，包括数据链路层、网络层、应用层（由应用支持子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成）、功能模块及层实体间的数据接口和管理接口构成。数据链路层、网络层和应用支持子层包含的功能模块有：数据实体和管理实体。用户应用进程包含的功能模块是多个用户应用对象。设备管理应用进 程包含的功能模块有：设备管理模块、网络管理模块、安全管理模块、网络管理代理模块、安全管理代理模块、管理信息库。

无线传感器网络的技术特征 

　　高可靠自组织网络 
网络采用了以下措施保障工业环境中无线通信的高可靠性： 
　　●TDMA避免了报文冲突 
　　系统产用全网TDMA模式，并且全网的时间同步精度达到微秒级。 
　　●跳频通信方式提高了点到点通信的抗干扰能力 
　　使用多信道进行通信，通过TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信负载，在DSSS的基础上引入FHSS的思想，采用根据信道状态自适应跳频机制，可以有效地抑制突发性干扰，消除频率选择性衰减。  

　　●自动请求重传保证了报文传输的成功率 
　　在链路层采用自动请求重传机制，保证了点到点的报文传输成功率，在应用层采用面向连接的（connection-oriented）数据传输技术，通过端到端的重传机制保证数据传输的高可靠性。

　　  
      ●Mesh路由提高了端到端通信的可靠性 
　　在网络层采用智能的Mesh网络技术。每个设备至少有两条可用的通信路径，设备加入网络后，可以自主选择或由网络管理者分配多条数据传输路径。当一条路径由于干扰被中断，设备可以自动切换到其它通信质量较好的路径。

  
          　　 
      ● 设备冗余提高了系统的鲁棒性 
　　分层组织模式 
　　网络采用集中式与分布式结合的系统管理方式，在路由设备组成的 mesh网络中采用了集中式的管理策略，提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力，保证了簇间通信资源的优化配置及统一管理；在终端设备组成的多个星型网络中采用了分布式的管理策略，簇首可以自主决定簇成员通信资源的分配，降低了终端设备协议的复杂性，提高了终端设备加入和退出网络的灵活性。网络分层的组织模式，对网络拓扑的维护更加灵活、快速。 

　        　 
　　超低能耗 
　　网络支持由电池供电的终端设备，采用基于TDMA的全网同步的休眠唤醒模式，减少了串听和待机时间，使设备的占空比达到99%，平均电流达到微安级，在不更换电池的情况下能工作2年以上。  
　　网络支持以降低通信开销为目的的报文合并，支持簇内的报文合并，通过簇首将多个簇成员的周期性报文合并，提高了报文中的有效数据比例，降低报文头部的通信开销，从而有效地降低了网络开销，延长了电池寿命。 

　　 　　 
　　兼容IEEE802.15.4标准  
　　无线传感器网络在链路层兼容IEEE802.15.4的超帧结构，并对其进行了扩展。网络维护两种不同的超帧：网络超帧和簇内超帧。网络超帧用于骨干网的数据传输，保证了通信的可靠性和实时性。簇内超帧用于路由器与现场设备之间的通信控制工程网版权所有，使得符合原IEEE802.15.4标准的设备可加入网络。  
　　支持扩频通信与窄带通信  
　　网络物理层工作频带的选择符合中国《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》，在其中的低频频带支持窄带通信，其优点是通信距离远，绕障能力好，同频其它设备少，干扰较小；在高频频带支持扩频通信，其优点是通信速率高，抗干扰能力强。网络可同时支持扩频通信与窄带通信，并将它们无缝地集成到同一网络中。 
　　技术优势 
　　●分层的组织模式，对网络拓扑的维护更加灵活、快速； 
　　●自适应的跳频模式与自动重传机制，对保障通信的可靠性更加有效； 
　　●支持网内报文聚合，有效地降低了网络开销，延长电池寿命； 
　　●兼容IEEE802.15.4标准，可以使用现有商用器件，易于实现；　 
　　●用户可以方便地使用、管理，无需较高的专业知识。

三、WNK-WMS工业无线传感网络测量系统组成

  
无线传感网络规定了三种主要的网络要素：无线传感网络现场设备、无线传感网络网关和无线传感网络网络管理器。还支持无线传感网络适配器，以便将现有的设备接入无线传感网络；以及无线传感网络手持设备，以便就近接入相邻的无线传感网络设备。值得注意的是，在无线传感网络中，网关仅承担现场无线传感网络仪表与应用系统之间的通信，它既支持一个或多个接入点，又和其接入点都包括在每个无线网络中；另外也支持冗余网关的结构。网络管理器负责网络的组态、无线传感网络设备之间的通信调度、路径表的管理和无线传感网络健康状况的报告。这一特点与许多无线短程网规定的网关又承担网络的组态有显著的不同，较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要求。无线传感网络网关通过以太网或串口与控制室的计算机相连，方便的监视现场测量和管理整个网络。下图为WNK-WMS水泥行业工业物联网无线传感网络测量系统组成拓扑图。 
  
1、无线传感网络现场设备：  
a)、无线压力变送器。型号为：WNK-W7；  
b)、无线温度变送器。型号为：WNK-W6；  
2、无线传感网络网关。型号：WNK-GW024G；  
3、无线传感网络网络管    器(集成在 WNK-GW024G 无线传感网络网关中)。  
四、优势及效益:  
●  低成本：整个系统网络使用无线技术，工作在全球免费的 2.4GHz 频段，与传统的有线系统相比，大大地节省了系统的安装与维护成本，直接为用户节省40%的经济支出。  
●  易安装：系统网络是智能的自组织网络，终端设备WNK系列无线变送器采用普通锂电池供电且进行无线通信，所以整个网络很容易布线和安装。  
●  高可靠：系统采用自适应跳频技术，避免干扰；冗余路由技术，自组织修复网络等技术，保证了系统的高可靠性，采用 128 位加密，数据通讯的可靠性达到100%。  
●  低功耗：终端设备 WNK 系列无线压力变送器使用电池供电，设备在工作过程中平均电流达到微安级，在设备数据率设定为一分种，不更换电池的情况下能工作1年以上。  
●  无线免费频段：整个系统网络工作在全球免费的基于工业标准802.15.4的2.4GHz 频段，相对于其他收费无线网络比如 GPRS/CDMA 等，为用户节省成本。  
●  中短程无线网络：在整个系统网络内，现场设备一跳的传输距离在室内最大  
能达到200米，室外能达到1000米，系统支持多跳网络，可以通过多跳方式，传输更远距离。  
●  易管理：系统很容易实时监控网络，使用一台 PC 机就可以管理和控制整个网络。  
●  易维护：在有线系统中，绝大部分系统故障是由电缆的连接器件损坏而引发的，其维护复杂度、维护费用高。