壹、無線局域網簡介
壹般來說，凡是采用無線傳輸媒體的局域網都可稱為無線局域網。這裏的無線媒體可以是無線電波、紅外線或激光。無線局域網（Wireless LAN）技術可以非常便捷地以無線方式連接網絡設備，人們可隨時、隨地、隨意地訪問網絡資源，是現代數據通信系統發展的重要方向。無線局域網可以在不采用網絡電纜線的情況下，提供網絡互聯功能。
1.無線協議簡介
無線局域網絡協議標準建立至今已有較長時間，但由於無線局域網速度低、協議標準不統壹、價格昂貴，用戶為保護投資，不願意使用無線網絡，因此無線局域網並沒有得到廣泛應用。近幾年來，隨著速率較高的無線通訊協議開始推出，無線局域網得到快速發展。
IEEE802.11是IEEE802標準委員會在1997年通過的第壹個無線局域網的國際標準。1999年9月，該委員會又頒布了IEEE802.11b標準，包含了ISO／OSI模型的物理層和媒體訪問控制層（MAC）。該標準工作在2.4 GHz，傳輸速率可達11 Mbps。 IEEE802.11b標準將節點設備分為基站和客戶站，各客戶站相互間可直接通信，也可在基站的統壹管理下進行通信。壹個基站與壹組客戶站的連接稱為基本服務集BSS（Basic Service Set），兩個或多個BSS構成擴展服務集。IEEE802.11b標準規定了物理層的三種實現方法，即跳頻擴展頻譜方式FHSS、直接序列擴展頻譜方式DSSS和紅外技術IR。在MAC層采用CSMA／CA（載波偵聽多路訪問／碰撞避免）技術進行通信介質訪問。為了盡量減少沖突。802.11b設計了獨特的MAC子層，如圖1所示。下面的壹層叫做分布協調功能DCF（Distributed Coordination Function）子層，該子層使各個節點采用競爭的方式使用信道，向上提供爭用服務。這種信道接入方式可能會導致沖突的發生，但是對信道的利用率較高。上面的壹層叫做點協調功能PCF（Point Coordination Function）
圖1 IEEE802.11的MAC子層
子層，該子層使用集中控制的接入算法，基站以輪詢的方式將通信權輪流交給各個客戶站，從而避免了沖突的發生。但是基站需要周期性的輪詢所有客戶站，需要占用大量的時間，因此適用於中、小型網絡。無線局域網的技術還在不斷發展。美國Radia－ta和Atheros公司分別宣布將推出IEEE802.11a芯片組。802.11a的數據傳輸速率為54 Mbps。Atheros公司宣稱，他們的芯片組在“Turbomode”（強化模式）下，速率可以達到72 Mbps。對802.11a來說，不僅僅是傳輸速率的提高，它將工作在5 GHz的頻率上，從而避開了擁擠的2.4 GHz頻段。2001年11月15日，IEEE試驗性地批準了壹種新技術802.11g，該技術可以提升家庭、公司和公***場所的無線互聯網接入速度，該技術使無線網絡每秒傳輸速度也可達54 Mbps，比現在通用的802.11b要快5倍，並且和802.11b兼容。以上介紹的技術標準可通過下表1進行對比。
表1 技術標準、頻率分配及傳輸速率
技術標準
制定年份
頻率占用
最高速率
調制技術
802.11
1997
2.4GHz
2Mbps
FHSS
802.11b
1999
2.4GHz
11Mbps
DSSS
802.11a
1999
5GHz
54Mbps
OFDM
802.11g
2000
2.4GHz
54Mbps
DSSS
說明：
1.802.11、802.11b、802.11g都工作在2.4GHz的ISM（工業、科學、醫療）公***頻段，無需向無委申請；而802.11a工作在5GHz頻段，該頻段目前暫不開放，需要申請。
2.802.11a和802.11g物理層速率最高都可達54Mbps，傳輸層速率最高也可達25Mbps，但穩定性有待進壹步改善，且成本也較高。而802.11b最高速率可達11Mbps，因為起步較早，技術較為成熟，成本也不高，將是未來最有前途的無線局域網標準，下面重點介紹802.11b標準。
二、IEEE 802.11b無線網絡標準
1． 無線局域網的物理層
無線局域網同傳統有線局域網的區別，表現在物理層上就是無線局域網壹般用無線電作為傳輸介質，而不是傳統的電纜。對於IEEE 802.11b無線局域網，有三種可選物理層：跳頻擴頻（FHSS）物理層、直接序列擴頻（DSSS）物理層和紅外線（IR）物理層。物理層的選擇取決於實際應用的要求。跳頻擴頻和直接序列擴頻是通信技術中兩種常用的擴展頻譜技術，用以提高無線信道的利用率和數據通信的安全性。目前大多數基於IEEE 802.11b的無線局域網產品的物理層介質工作在2.4000～2.4835GHz的無線射頻頻段（ISM頻段），采用直接序列擴展頻譜技術以提供高達11Mbps的數據傳輸速率。
2． 無線局域網的MAC協議
原則上講，無線局域網的MAC協議和有線局域網的MAC協議並無本質上的區別。然而，由於無線傳輸媒體固有的特性以及移動性的影響，無線局域網的MAC協議不能沿用原有的局域網協議。例如，IEEE 802.3的MAC層采用CSMA/CD來使各個不同的站點***享同壹物理信道。而實現CSMA/CD的壹個重要前提是，各站點能夠非常容易地實現沖突檢測功能。在有線局域網（如以太網）的情況下，可根據檢測電纜線上直流分量的變化容易地實現沖突檢測。然而在使用無線傳輸媒體時，由於以下的原因，很難實現沖突檢測。
1） 沖突檢測的能力要求各站能同時發送（發送自己的信號）和接收（決定其他站的傳輸是否幹擾自己的傳輸），這將增加信道的花費。
2） 更重要的是，由於隱藏終端問題的存在，即使壹個站有沖突檢測的能力，並已經在發送時檢測到沖突，在接收端仍然會有沖突發生。
鑒於以上原因，無線局域網協議標準IEEE 802.11b采用了壹種具有沖突避免的載波監聽多路訪問（CSMA/CA）協議實現無線信道的***享。
壹種簡單的CSMA/CA可實現如下：在數據包傳輸之前，無線設備將先進行監聽，看是否有其他無線設備正在傳輸。若傳輸正在進行，該設備將等待壹段隨機決定的時間，然後再監聽，若沒有其他設備正在使用介質，該設備開始傳輸數據；因為很有可能在壹個設備傳輸數據的同時，另壹個設備也開始傳輸數據，為了避免此類沖突造成的數據丟失，接收設備檢測所收到的分組的CRC，如果正確，則向發送設備傳輸壹個確認信息（acknowledgement）以指示沒有沖突發生。否則，發送設備將重復上述CSMA/CA過程。
為了使兩個無線設備同時進行傳輸（這將導致沖突）的可能性減到最小，802.11設計者使用稱為發送請求/清除以發送（RTS/CTS）的機制。例如：若數據到達無線節點指定的無線訪問點（AP），該AP將給那個無線節點發送壹個RTS幀，請求壹定量的時間向它傳輸數據，無線節點將用CTS幀進行回應，表示它將阻止任何其他的通信，直到AP發送完數據為止。其他無線節點也能聽到正在發生的數據傳輸，並把它們的傳輸延遲到那段時間之後。在這種方式下，數據在節點之間進行傳遞時，由設備導致的在介質上產生沖突的可能性最小。這種傳輸機制同時解決了無線局域網中的隱藏終端問題。
為了確保數據在傳輸中不丟失，CSMA/CA還引入了確認（ACK）機制，接收者在收到數據後，向發送單元發壹個確認通知ACK。若發送者沒有收到ACK，表明數據丟失，將再次傳輸該數據。
3． 無線局域網實時性性能分析
IEEE 802.11b無線局域網標準在媒體訪問控制層采用CSMA/CA協議以實現無線信道的***享。在網絡負荷較輕的情況下，發生沖突的機會很少，再加上壹些無線網絡產品采取了壹些附加的措施，甚至可以完全避免沖突的發生。如Wi-LAN的無線產品AWE 120-24無線網絡橋接器利用動態時間分配輪詢的方式：當有多個無線遠端設備要與基站通信時，基站會根據遠端站的ID依次詢問各個遠端站是否有數據要發送，如果有數據要發送，就給其分配時間片，如果沒有，則會繼續向下詢問，周而復始。這裏的所謂動態輪詢是指用戶可以設置基站的輪詢方式，對於非活動站減少對其詢問的次數，這樣可以保證時間片不會被浪費。動態時間分配輪詢技術完全避免了沖突的發生，可以獲得比CSMA/CA更好的實時性。這使得無線技術在工業控制網絡中的應用成為可能。
三、基於無線技術的網絡化智能傳感器介紹
計算機網絡技術、無線技術以及智能傳感器技術的結合，產生了“基於無線技術的網絡化智能傳感器”的全新概念。這種智能傳感器集成了數據采集、數據處理和無線網絡接口模塊，無線網絡接口模塊底層網絡接口（硬件接口）采用基於IEEE 802.11b的網絡接口芯片，高層網絡接口（軟件接口）采用TCP/IP協議，把TCP/IP協議作為壹種嵌入式應用，即把TCP/IP協議固化到智能傳感器的ROM中，使得現場數據的收發都以TCP/IP協議進行。這種基於無線技術的網絡化智能傳感器使得工業現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、發布和***享。
無線局域網可以在普通局域網基礎上通過無線Hub、無線接入站(AP)、無線網橋、無線Modem及無線網卡等來實現。
在工業自動化領域，有成千上萬的感應器，檢測器，計算機，PLC，讀卡器等設備，需要互相連接形成壹個控制網絡，通常這些設備提供的通信接口是RS- 232或RS-485。無線局域網設備使用隔離型信號轉換器，將工業設備的RS-232串口信號與無線局域網及以太網絡信號相互轉換，符合無線局域網IEEE802.11b和以太網絡IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網絡通信協議，有效的擴展了工業設備的聯網通信能力。
四、無線局域網在工業控制網絡中的應用
工業控制系統的網絡化為無線技術在工業控制系統中的應用提供了基礎和可能。近幾年很多研究人員也展開了這方面的研究工作。中國科學院沈陽自動化所的曾鵬等人以FF（現場總線基金會）頒布的FFHSE（高速以太網）為藍本，結合無線以太網標準IEEE802.11b，構造了現場級無線通信協議棧。該協議棧保持了基金會現場總線的通信模型，能夠完成無線設備間的時間同步和實時通信。韓國釜山國立大學的Kyung Chang Lee等人設計了協議轉換模型，實現了Profibus－DP網絡和IEEE802.11無線局域網的互連。Mario Alves等人對基於廣播方式的現場總線／無線網絡的混合網絡報文傳送延遲時間進行了估算。C．Koulamas等人研究了Profibus現場總線與基於IEEE802.11b的DSSS物理層相結合的性能。
除了在理論上的研究工作外，在壹些工業控制網絡中，無線通信技術已獲得了應用。如美國羅克威爾公司在基於DeviceNet、Control－net、Ethernet／IP的三層控制網絡體系中，加入了無線以太網部分，可以實現無線通信。德國西門子公司在基於Profibus－DP、Profinet的控制網絡中結合無線以太網技術，使控制網絡具有了無線通信功能。由於無線網絡無可比擬的優越性，它可以免去大量的線路連接，節省系統的構建費用和維護成本，還可以滿足壹些特殊場合的需要，與此同時，大大增強了系統構成的靈活性。加之無線通信技術自身的不斷改進，無線通信技術在工業控制領域中必將具有廣闊的發展空間和應用前景。
五、無線技術在工控網絡中的應用方案及使用設備
1.無線工業控制的方法
通過使用基於無線技術的網絡化智能傳感器，結合目前市場上出現的各種基於IEEE 802.11b的無線局域網網橋，就可以實現無線局域網技術在工業控制網絡中的壹種應用方案。無線局域網網橋用作無線訪問點（AP），基於無線技術的網絡化智能傳感器采集現場數據、處理，並以TCP/IP協議對數據進行打包，通過無線鏈路發送到AP，由於無線鏈路和有線以太網高層均采用TCP/IP協議，且低層協議對高層協議是透明的，就實現了無線網絡和有線網絡的無縫連接。通過Internet，就可以實現遠程監控。
2．無線設備的選擇
要實現無線網絡，需要選擇的設備壹般為兩種。壹種為無線局域網網橋，可將多個無線站點連入已有的局域網之中；另壹種為無線通訊裝置，例如無線網卡、無線Modem等。下面介紹壹下研華公司的無線裝置。
A．WLAN-9200系列11Mbps工業無線局域網接入器
WLAN-9200是壹款用於室外的增強11Mbps無線局域網網橋。它能夠在無須任何物理布線的情況下，將多個遠程站連接到局域網中。
特點:
·支持IEEE 802.1lb標準2.4GHz ISM頻段
·支持高級用戶驗證，提供堅固的安全性WEP128，MAC地址控制
·帶符合IP 66/NEMA 4x標準的防水銹外殼，保護系統不被損壞
·提供冷卻風扇和加熱器，防止系統過熱和過冷
·提供按鈕和LED顯示，可方便的設置溫度
·采用IP66防水接口，保護電源、LAN和無線接口
·提供各種天線，用於增大傳輸距離
WLAN-9200是壹款用於室外的增強11Mbps無線局域網網橋。它能夠在無須任何物理布線的情況下，將多個遠程站連接到局域網中。這樣就節省了大量維護及組建相應電纜網絡的成本。WLAN-9200帶有壹個堅固的外殼，可以防止水、酸、閃電、低溫及高溫對系統的破壞。由於這些特點，WLAN-9200工作極為穩定和可靠，是室外應用的理想選擇。因此，WLAN-9200非常適合在布線困難的惡劣場所使用，如水庫和建築物。WLAN-9200與IEEE 802.1lb標準兼容，具有各種強大功能。在提供高度安全保護（WEP：128位），DHCP客戶、SNMP代理等的同時，能夠提供11Mbps的高傳輸速度。此外，為了滿足室外惡劣環境下的使用要求，WLAN-9200還提供了先進的系統保護功能：發光保護、冷卻風扇、加熱器、防水接口、工業設備箱、電源/LAN同軸電纜等。
成本低，安裝簡便
WLAN-9200可以將不同的分布式站點連接在壹起，組成壹個更寬範圍的無線網絡。它能夠節省到遠程地點的布線成本。WLAN-9200采用了專門的設計，用戶可以方便快捷的將其裝上或拆下。此外，WLAN-9200還提供了按鈕和LED顯示，用於顯示和設置高/低溫度。用戶可以使用它快速組建自己的無線網絡。為了能夠在更遠的範圍內使用，WLAN-9200還提供了各種天線，用於延長傳輸距離。
可靠穩定的堅固設計
WLAN-9200采用了先進的設計，帶有壹個不生銹的防水外殼，能夠對系統起到有效的保護。它符合IP 66/NEMA 4x標準，具有耐腐蝕、防紫外線、安全和自動滅火的特點。為了防止WLAN-9200內部過熱或過冷，研華還在它的內部設計了壹個冷卻風扇和壹個加熱器，用戶可以設置高/低溫度設置。當工作溫度高於或低於用戶指定的溫度時，冷卻風扇或加熱器就會開始工作。此外，WLAN-9200還提供了防水接口和防閃電保護，可以對電源，局域網和天線接口起到保護的作用。
遠程站點之間的快速數據傳輸
WLAN-9200與高速無線局域網標準IEEE 802.1 lb完全兼容，它提供11Mbps（在空氣中）的速度，可以進行更快的數據傳輸。WLAN-9200在2.4GHz ISM頻段采用了DSSS技術，不會被噪聲所幹擾，使數據的傳輸更加安全和可靠。
保持通信的私有性
WLAN-9200采用了多種安全功能對您的無線網絡進行保護（WEP128加密，MAC地址控制及口令安全）。通過采用先進的WEP128加密，您可以選擇WEP密匙來保護您的數據，防止未授權的無線用戶查看這些數據，只有接入點和無線適配器的可接入性，多種安全機制協同工作，能夠有效防止對有線及無線網絡的未授權訪問。
B.ADAM-4550系列2.4GHz無線調制解調器（RS-232/485接口）
ADAM-4550是壹款直序擴頻無線調制解調器。它工作在2.4GHz的ISM波段上，該波段在全球都可以無需申請即可使用。通過RS-232或RS-485串口，ADAM- 4550可以以高達115.2Kbps的速度與計算機或其它設備進行通信。
ADAM-4550以半雙工的方式工作，並以1Mbps的速率進行無線數據傳輸。它具有100mW的輸出功率，並且如果使用自帶的小型天線，它的傳輸距離可達150米，如果使用研華的高增益室外天線，其傳輸距離可以超過20公裏（視距）。
RS-485標準支持半雙工通信。這意味著使用壹對雙絞線即可進行數據的發送和接收。通常由握手信號RTS（請求發送）來控制數據流的方向。但在ADAM-4550中帶有壹個專門的I/O電路，它可以用來偵測數據流向，在不需要握手信號的情況下自動切換傳輸方向。
ADAM-4550無線調制解調器提供了可靠的“點到點”或“點到多點”的網絡無線連接。壹個典型應用是將壹個ADAM-4550模塊通過RS-232與主計算機相連，將其它ADAM-4550模塊放置在遠程現場。每個ADAM-4550模塊都可以通過RS- 4550網絡與遠程設備相連接。遠程ADAM-4550模塊將遠程數據傳送到主ADAM- 4550模塊，而主ADAM-4550模塊會通過無線傳輸向遠程ADAM-4550模塊發送控制命令。
規格
·RS-232/RS-485傳輸速率（bps）：1200，2400，4800，9600，19.2K，38.4K，57.6K，115.2K
·RS-232接口接頭：孔型DB-9
·RS-485接口接頭：插入式螺絲端子 支持AWG1-#12或2-#14-#22（0.5到2.5mm2線徑）電纜
·無線傳輸速率：1Mbps
·無線傳輸頻率：2.45GHz（標稱值）
·無線傳輸功率：100mW（標稱值）
·無線調制：直序擴頻PSK
·無線收發器地址：可軟件配置為254個不同的地址
·通信距離：550英尺有效距離（在開闊地使用2dBi全向天線的情況下），實際距離取決於環境條件、天線類型及位置
·工作溫度：-10?到70℃（14?到158℉）
·電源要求：+10~+30VDC
·功耗：4W
·尺寸：60mm×120mm（2.36”×4.41”）
特點
·可軟件配置RS-232或RS-485，數據傳輸速率可達115.2Kbps
·在有外部天線及放大器的情況下，傳輸半徑可超過20公裏
·內置看門狗定時器及自動RS-485數據流控制
·擴頻無線調制
·工作在全球通用、無需申請的波段（2.4GHz）
·模塊間的1Mbps無線數據傳輸速率
·可軟件配置無線收發器地址
·方便的DIN導軌、面板或堆疊安裝
·帶有存儲通信設置的EEPROM
·支持點到點或點到多點的應用
·透明的IEEE802.1協議及用於確保數據完整性的10K緩存
·用於故障診斷的電源及數據流指示燈
·帶無線連接測試的診斷軟件
·符合FCC Part15及ETSI 3000.683/300.328標準
六、結論
通過無線局域網對工業設備進行控制簡單易行，但是成本稍高。目前，絕大多數無線控制如前所述采用的是IEEE802.11系列協議，它與我們大多局域網所采用的以太網可以無縫連接，所以，對於用戶層測控程序沒有任何影響，只需對原有方案的物理層設備作簡單的配置即可。例如選用上述的研華的無線產品替代原有的有線通訊裝置，其它硬件及軟件配置均不受影響。