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摘要在介绍无线网络的概念和基本技术的基础上,介绍了基于无线网络的自动化技术在农业、工业、家庭等领域的最新应用,最后总结了无线网络自动化技术的优势。
中图分类号:TP27文献标识码:A
0 引言
自动化(Automation)是指机器设备、系统或过程,在没有人或较少人的直接参与下,按照人的要求,经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制,实现预期的目标。自动化是工业化进程中最为重要的一环,而先进自动化则是信息化不可缺少的一环。信息化包括三个阶段,计算机化,网络化,先进自动化。可以看出,网络化是先进自动化实现的先决条件,网络技术尤其是目前兴起的无线网络技术的发展则巨大地推动了先进自动化技术向前发展,使人类社会大步向信息化迈进。
1 无线网络技术
无线网络是对应于有线网络产生的一种新型网络,它和有线网络最大的区别在于传输媒介不同。一般有线网络是依靠同轴电缆、双绞线、光纤等有形媒介进行组网,而无线网络则依靠红外线、微波等无形媒介进行组网通讯。无线网络的起源可以追溯到二战时期,美军为了传递战场信息,建立了一种带有高强度加密的无线电传输网络,为盟军取得战争的最终胜利提供了极大的帮助。虽然无线网络技术起源于军事应用,但它在民用领域的应用可以用飞速发展这个词来形容。
发展到现在,类似于有线网络,无线网络根据覆盖范围和实现的功能来分主要可以分为四类,即无线个人网(Wireless Personal Area Network)、无线局域网(Wireless Local Area Network )、无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network)和无线广域网(Wireless Wide Area Network)。
由于无线网络技术的关键是如何寻找有效地传输技术使信息能够在无形介质中传播,传输距离和传输速率成为一个很大的限制因素,所以我们发现无线网络的发展轨迹是由短距离无线网向长距离乃至超长距离无线网发展。目前来看,无线个人网以及无线局域网技术已经比较成熟,而无线城域网和无线广域网技术则还处在起步阶段。无线个人网是依靠蓝牙、红外线等短距通讯技术来建立的网络,一般涉及属于同一个人的笔记本电脑、PDA、手机等设备的组网,传输距离一般在10米以内。无线局域网是依靠射频技术在一个办公室或者一栋建筑中组建的网络,主要连接带有无线网卡的设备,传输距离一般在100米以内。而无线城域网和无线广域网则是用于连接无线局域网的技术,这个领域是目前无线网络研究的热点,无线城域网的传输距离可达1000米,而无线广域网更是可以达到15千米,这两项技术的目标都是能够提供远距离高速率的无线通讯方式。
2 基于无线网络的自动化技术
随着无线网络技术的日趋完善,自动化技术也迎来了一个新的发展高潮,在农业、工业、家庭等多个领域有了许多新的解决方案。
2.1 农业领域
农业是国民经济的第一产业,农业机械化大大地解放了生产力,到了二十一世纪,农业信息化已被提上议事日程。在无线网络的支撑下,农业自动化技术突飞猛进,使得现代农业摆脱了地域限制,能够实现远程播种,灌溉,直至收割。
现代化的农业要求规模化生产,而规模化生产所覆盖的区域可能会超乎人的想象,例如几十平方公里,在这种情况下如果要实现自动灌溉,如果用有线网络则需要铺设大量的控制电缆,初期投资特别巨大,而且农业生产条件通常都十分恶劣,设备尤其是线缆很容易老化,而且后期的维护很困难。利用无线网络则很好的解决了这个问题,目前国外已有投入使用的相关无线网络系统,该系统通过在各个种植区布置无线网络设备,将控制信号传递到灌溉用的电磁阀门上,而整套设备的供电将依靠太阳能或者蓄电池,这使得该系统可以完全摆脱铺设线缆的束缚。配合无线传感器,系统能够实时监测种植区的温度、湿度等参数,然后这些信息会通过无线网络被传送到远程的监控室中,然后根据预先设定好的控制方案或者操作员给出的实时信号给远程的电磁阀发送控制信号,控制阀门、遮光板等设备的开启和关闭,使作物能够得到适量的水分、阳光和肥料。
目前,农业领域应用的无线网络的信号传输距离已经可以达到数公里,但是仍存在信号易受干扰,控制的精度和实时性无法满足要求等问题,当然系统的造价也很高,但是我们相信随着技术的进步,农业无线网络控制系统的可靠性和实时性会有很大提高,同时伴随着大规模的应用系统的造价也会大幅度降低。
2.2 工业领域
工业是国民经济的支柱产业,除了军事应用以外,现代化的高新技术往往是先在工业领域得到应用的,基于无线网络的自动化技术也不例外。 鉴于工业所涉及的行业极其众多,以下仅列举无线网络在工业自动化领域的典型应用方式。
2.2.1 依靠无线网络组建远程工厂控制系统
未来的现代化工厂将会实现无人操作,工厂的控制员可以处在办公室里甚至家里,依靠装配于各个设备的传感器可以感知产品的位置,然后通过无线网络将控制信号发送到配置有无线接收设备的机器人中,控制机器人完成从原材料的搬运,流水线的生产,产品的质量检测,直至最终的产品包装,运往仓库等一系列的生产过程。这样的生产方式无疑有着一些列的优势,最主要的就是安全性比较高,例如在一个大型的炼钢企业,对于大量钢材的搬运,如果是依靠人去运送,无疑会威胁到生产人员的安全,而把所有这些工作交给配有无线接收装置的机器人来完成则将变得既安全又高效。
2.2.2 依靠无线网络组成远程监测系统
现代化的工业生产需要高质量的监测系统来维护整个生产系统的可靠性。以电力生产为例,电力从发电厂发出来往往需要经过长距离的传输,为了降低线路损耗,输电方式往往会采用高压输电,如何维护输电线路的安全就显得至关重要,而基于无线网络的自动化技术则很好的解决了这一问题。目前国内外已经开发了多种输电线路监测装置,通过在主要的输电塔上装配带有视频功能的无线監测装置,将输电线的实时图像记录下来,图像经过压缩处理之后通过无线网络发送到电力调控室。控制人员通过分析图像可以判定线路状况,如输电线路结冰,则启动相应的除冰设备对输电线路进行除冰。还有一种应用前景十分看好的输电线路监测装置是无线输电线路巡检车,这种巡检车是无人驾驶的,依靠远程控制,可以沿着设计的线路行驶,在车上配备有高精度的摄像机,可以用于拍摄输电线路的状态,同时在车上配备有红外线测温装置,可以用于直接测量输电线路的温度。这样在办公室里的工作人员便可以对输电线路的状况一览无余,并且摆脱了时间限制,配合照明设施可以在夜晚继续对线路进行巡检。
2.2.3 依靠无线网络组建冗余系统
目前工业生产中有大量的控制系统,而这些系统大多是基于有线网络的,虽然有线网络有信号质量好,可靠性高等许多优点,但是一旦生产过程出现突发状况,原有的有线网络往往会失去作用,此时如果装备有基于无线网络的控制系统作为冗余系统,则可以很好的解决这些问题。例如,远程控制的水库,一旦测量到水位超过警戒水位,需要开闸泄洪,而如果有线控制网络出现故障,后果将会十分严重,而赶往水库时间上往往也是不够的,这时依靠无线网络控制泄洪闸开启将会是十分理想的选择。
2.3 家庭领域
家庭自动化是很有前景的技术,而无线网络则使得这项技术的应用有了更大的广度和深度。进入21世纪,房屋的设计和使用越来越讲究节能和智能,基于无线网络的家庭自动化系统则符合这样的理念。
家庭自动化的应用包括以下几个方面:房屋安全防护系统、能源供给系统、智能家居系统,无线网络均有涉及。
在房屋的安全防护方面,国内已经开发出实用的系统。通过在房屋的各关键位置安装无线传感器,监测各种行为,一旦有发现在非正常时段有人进入房间,那么传感器会将信号传输到房屋的中央控制系统,然后通过网络发送信息通知房屋的主人、警察以及小区的保安人员。
在房屋的能源利用方面,应用则更加广泛。在房屋的各个位置会加装温度、湿度传感器,然后检测室内外的温度和湿度,首先判别家里是都有人,如果有人的话会根据房主设定的温度,开启相应的制热或者制冷装置,开启或者关闭窗户,控制屋内的光线。在下雨天系统还能够控制集水装置开启用于储水,在特别炎热的天气,系统会通过水泵将储水罐中的水抽出用于灌溉房屋周边的苗木,同时可以在屋顶喷洒水已给房屋降温,降低屋内温度调节装置的能耗。
在智能家居方面,应用也十分活跃。通过给家里的各种电器,如电饭锅、热水器、洗衣机等加装无线信号接收装置,这样人就能在工作时或者外出时控制这些装置的开启或关闭,以节约人的时间。举一个很实用的例子,你回家想立即洗个热水澡,那么你只要在回家的路上通过手机发送一个讯号给房屋的中央控制系统,然后系统开启热水器先把水烧好了,再把水放好,这样你回家就可以立即洗澡,免去了等待的时间。
3 无线网络自动化技术的优势
基于无线网络的自动化技术在最近十年有多许多新的应用,这与无线网络自动化技术的优势是密切相关的,总的来说无线网络自动化技术有如下一些优势:(1)摆脱了时间和空间的限制,相比于有线网络适用面更广。(2)多技术交叉,无线网络自动化技术包含通讯技术、控制技術、智能技术等多项技术于一身,决定了这项技术从开始就是一个多面手,能够灵活的配置多项任务。(3)符合时代的潮流,无线网络自动化技术大大减少了线缆的使用,而且通常是节能和环保的,符合现代人对于新技术的要求。
从以上这些方面可以看出,无线网络自动化技术符合时代的趋势和人们对于高技术的最新要求,必定会随着时间的推移有更大的发展和更多的应用。
参考文献
[1]Anand, D.M.;Moyne, J.R.;Tilbury, D.M. Performance evaluation of wireless networks for factory automation applications.2009 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering, CASE 2009, p 340-346, 2009.
[2]De Pellegrini, Francesco; Miorandi, Daniele;Vitturi, Stefano;Zanella, Andrea. On the use of wireless networks at low level of factory automation systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, v 2, n 2, p 129-143, May,2006.
[3]冯冬芹,褚健.构建自动化环境下的工业无线网络[J].中国仪器仪表,2008(S1).
[4]李春林,程健.工业自动化领域中的无线技术[J].工业仪表与自动化装置,2007(1).
[5]Gomez, Carles .Wireless home automation networks: A survey of architectures and technologies.IEEE Communications Magazine, v 48, n 6, p 92-101, June 2010.
中图分类号:TP27文献标识码:A
0 引言
自动化(Automation)是指机器设备、系统或过程,在没有人或较少人的直接参与下,按照人的要求,经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制,实现预期的目标。自动化是工业化进程中最为重要的一环,而先进自动化则是信息化不可缺少的一环。信息化包括三个阶段,计算机化,网络化,先进自动化。可以看出,网络化是先进自动化实现的先决条件,网络技术尤其是目前兴起的无线网络技术的发展则巨大地推动了先进自动化技术向前发展,使人类社会大步向信息化迈进。
1 无线网络技术
无线网络是对应于有线网络产生的一种新型网络,它和有线网络最大的区别在于传输媒介不同。一般有线网络是依靠同轴电缆、双绞线、光纤等有形媒介进行组网,而无线网络则依靠红外线、微波等无形媒介进行组网通讯。无线网络的起源可以追溯到二战时期,美军为了传递战场信息,建立了一种带有高强度加密的无线电传输网络,为盟军取得战争的最终胜利提供了极大的帮助。虽然无线网络技术起源于军事应用,但它在民用领域的应用可以用飞速发展这个词来形容。
发展到现在,类似于有线网络,无线网络根据覆盖范围和实现的功能来分主要可以分为四类,即无线个人网(Wireless Personal Area Network)、无线局域网(Wireless Local Area Network )、无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network)和无线广域网(Wireless Wide Area Network)。
由于无线网络技术的关键是如何寻找有效地传输技术使信息能够在无形介质中传播,传输距离和传输速率成为一个很大的限制因素,所以我们发现无线网络的发展轨迹是由短距离无线网向长距离乃至超长距离无线网发展。目前来看,无线个人网以及无线局域网技术已经比较成熟,而无线城域网和无线广域网技术则还处在起步阶段。无线个人网是依靠蓝牙、红外线等短距通讯技术来建立的网络,一般涉及属于同一个人的笔记本电脑、PDA、手机等设备的组网,传输距离一般在10米以内。无线局域网是依靠射频技术在一个办公室或者一栋建筑中组建的网络,主要连接带有无线网卡的设备,传输距离一般在100米以内。而无线城域网和无线广域网则是用于连接无线局域网的技术,这个领域是目前无线网络研究的热点,无线城域网的传输距离可达1000米,而无线广域网更是可以达到15千米,这两项技术的目标都是能够提供远距离高速率的无线通讯方式。
2 基于无线网络的自动化技术
随着无线网络技术的日趋完善,自动化技术也迎来了一个新的发展高潮,在农业、工业、家庭等多个领域有了许多新的解决方案。
2.1 农业领域
农业是国民经济的第一产业,农业机械化大大地解放了生产力,到了二十一世纪,农业信息化已被提上议事日程。在无线网络的支撑下,农业自动化技术突飞猛进,使得现代农业摆脱了地域限制,能够实现远程播种,灌溉,直至收割。
现代化的农业要求规模化生产,而规模化生产所覆盖的区域可能会超乎人的想象,例如几十平方公里,在这种情况下如果要实现自动灌溉,如果用有线网络则需要铺设大量的控制电缆,初期投资特别巨大,而且农业生产条件通常都十分恶劣,设备尤其是线缆很容易老化,而且后期的维护很困难。利用无线网络则很好的解决了这个问题,目前国外已有投入使用的相关无线网络系统,该系统通过在各个种植区布置无线网络设备,将控制信号传递到灌溉用的电磁阀门上,而整套设备的供电将依靠太阳能或者蓄电池,这使得该系统可以完全摆脱铺设线缆的束缚。配合无线传感器,系统能够实时监测种植区的温度、湿度等参数,然后这些信息会通过无线网络被传送到远程的监控室中,然后根据预先设定好的控制方案或者操作员给出的实时信号给远程的电磁阀发送控制信号,控制阀门、遮光板等设备的开启和关闭,使作物能够得到适量的水分、阳光和肥料。
目前,农业领域应用的无线网络的信号传输距离已经可以达到数公里,但是仍存在信号易受干扰,控制的精度和实时性无法满足要求等问题,当然系统的造价也很高,但是我们相信随着技术的进步,农业无线网络控制系统的可靠性和实时性会有很大提高,同时伴随着大规模的应用系统的造价也会大幅度降低。
2.2 工业领域
工业是国民经济的支柱产业,除了军事应用以外,现代化的高新技术往往是先在工业领域得到应用的,基于无线网络的自动化技术也不例外。 鉴于工业所涉及的行业极其众多,以下仅列举无线网络在工业自动化领域的典型应用方式。
2.2.1 依靠无线网络组建远程工厂控制系统
未来的现代化工厂将会实现无人操作,工厂的控制员可以处在办公室里甚至家里,依靠装配于各个设备的传感器可以感知产品的位置,然后通过无线网络将控制信号发送到配置有无线接收设备的机器人中,控制机器人完成从原材料的搬运,流水线的生产,产品的质量检测,直至最终的产品包装,运往仓库等一系列的生产过程。这样的生产方式无疑有着一些列的优势,最主要的就是安全性比较高,例如在一个大型的炼钢企业,对于大量钢材的搬运,如果是依靠人去运送,无疑会威胁到生产人员的安全,而把所有这些工作交给配有无线接收装置的机器人来完成则将变得既安全又高效。
2.2.2 依靠无线网络组成远程监测系统
现代化的工业生产需要高质量的监测系统来维护整个生产系统的可靠性。以电力生产为例,电力从发电厂发出来往往需要经过长距离的传输,为了降低线路损耗,输电方式往往会采用高压输电,如何维护输电线路的安全就显得至关重要,而基于无线网络的自动化技术则很好的解决了这一问题。目前国内外已经开发了多种输电线路监测装置,通过在主要的输电塔上装配带有视频功能的无线監测装置,将输电线的实时图像记录下来,图像经过压缩处理之后通过无线网络发送到电力调控室。控制人员通过分析图像可以判定线路状况,如输电线路结冰,则启动相应的除冰设备对输电线路进行除冰。还有一种应用前景十分看好的输电线路监测装置是无线输电线路巡检车,这种巡检车是无人驾驶的,依靠远程控制,可以沿着设计的线路行驶,在车上配备有高精度的摄像机,可以用于拍摄输电线路的状态,同时在车上配备有红外线测温装置,可以用于直接测量输电线路的温度。这样在办公室里的工作人员便可以对输电线路的状况一览无余,并且摆脱了时间限制,配合照明设施可以在夜晚继续对线路进行巡检。
2.2.3 依靠无线网络组建冗余系统
目前工业生产中有大量的控制系统,而这些系统大多是基于有线网络的,虽然有线网络有信号质量好,可靠性高等许多优点,但是一旦生产过程出现突发状况,原有的有线网络往往会失去作用,此时如果装备有基于无线网络的控制系统作为冗余系统,则可以很好的解决这些问题。例如,远程控制的水库,一旦测量到水位超过警戒水位,需要开闸泄洪,而如果有线控制网络出现故障,后果将会十分严重,而赶往水库时间上往往也是不够的,这时依靠无线网络控制泄洪闸开启将会是十分理想的选择。
2.3 家庭领域
家庭自动化是很有前景的技术,而无线网络则使得这项技术的应用有了更大的广度和深度。进入21世纪,房屋的设计和使用越来越讲究节能和智能,基于无线网络的家庭自动化系统则符合这样的理念。
家庭自动化的应用包括以下几个方面:房屋安全防护系统、能源供给系统、智能家居系统,无线网络均有涉及。
在房屋的安全防护方面,国内已经开发出实用的系统。通过在房屋的各关键位置安装无线传感器,监测各种行为,一旦有发现在非正常时段有人进入房间,那么传感器会将信号传输到房屋的中央控制系统,然后通过网络发送信息通知房屋的主人、警察以及小区的保安人员。
在房屋的能源利用方面,应用则更加广泛。在房屋的各个位置会加装温度、湿度传感器,然后检测室内外的温度和湿度,首先判别家里是都有人,如果有人的话会根据房主设定的温度,开启相应的制热或者制冷装置,开启或者关闭窗户,控制屋内的光线。在下雨天系统还能够控制集水装置开启用于储水,在特别炎热的天气,系统会通过水泵将储水罐中的水抽出用于灌溉房屋周边的苗木,同时可以在屋顶喷洒水已给房屋降温,降低屋内温度调节装置的能耗。
在智能家居方面,应用也十分活跃。通过给家里的各种电器,如电饭锅、热水器、洗衣机等加装无线信号接收装置,这样人就能在工作时或者外出时控制这些装置的开启或关闭,以节约人的时间。举一个很实用的例子,你回家想立即洗个热水澡,那么你只要在回家的路上通过手机发送一个讯号给房屋的中央控制系统,然后系统开启热水器先把水烧好了,再把水放好,这样你回家就可以立即洗澡,免去了等待的时间。
3 无线网络自动化技术的优势
基于无线网络的自动化技术在最近十年有多许多新的应用,这与无线网络自动化技术的优势是密切相关的,总的来说无线网络自动化技术有如下一些优势:(1)摆脱了时间和空间的限制,相比于有线网络适用面更广。(2)多技术交叉,无线网络自动化技术包含通讯技术、控制技術、智能技术等多项技术于一身,决定了这项技术从开始就是一个多面手,能够灵活的配置多项任务。(3)符合时代的潮流,无线网络自动化技术大大减少了线缆的使用,而且通常是节能和环保的,符合现代人对于新技术的要求。
从以上这些方面可以看出,无线网络自动化技术符合时代的趋势和人们对于高技术的最新要求,必定会随着时间的推移有更大的发展和更多的应用。
参考文献
[1]Anand, D.M.;Moyne, J.R.;Tilbury, D.M. Performance evaluation of wireless networks for factory automation applications.2009 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering, CASE 2009, p 340-346, 2009.
[2]De Pellegrini, Francesco; Miorandi, Daniele;Vitturi, Stefano;Zanella, Andrea. On the use of wireless networks at low level of factory automation systems. IEEE Transactions on Industrial Informatics, v 2, n 2, p 129-143, May,2006.
[3]冯冬芹,褚健.构建自动化环境下的工业无线网络[J].中国仪器仪表,2008(S1).
[4]李春林,程健.工业自动化领域中的无线技术[J].工业仪表与自动化装置,2007(1).
[5]Gomez, Carles .Wireless home automation networks: A survey of architectures and technologies.IEEE Communications Magazine, v 48, n 6, p 92-101, June 2010.