ZigBee pro 符合工業無線網絡設計要求
面向工業自動化應用的無線網絡技術需要滿足以下五個方面需求：
高可靠性：大部分的工業控制應用要求數據的可靠傳輸率要超過95%。為了實現在工業現場使用無線通信來實現高可靠傳輸面臨以下挑戰，ZigBee pro 協議棧采用2.4 GHz物理層都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum,直接序列擴頻）技術（包括數據的調制，激活和休眠射頻收發器，信道能量檢測，信道接收數據包的鏈路質量指示，空間信道評估，收發數據等）具有很強的抗干擾能力，而且MAC層和應用層（APS部分）有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制節點發送之前先監聽信道，也可以起到避開干擾的作用；網絡層采用了網狀網的組網方式，從源節點到達目的節點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網絡的健壯性，如果原先的路徑出現了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節點出現故障，ZigBee pro 可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信。同時，ZigBee pro 新增加的頻率捷變（frequency agility）,也大大加強其作為工業網絡使用的可靠性，ZigBee pro網絡受到外界干擾，比如各種工業現場的無線干擾，無法正常工作時，整個ZigBee pro 網絡可以自動化動態的切換到全部16個頻道的一個干凈工作信道上（實現FHSS跳頻功能）。和其它目前采用 DSSS+FHSS的工業無線網絡協議比較，ZigBee pro可靠性和抗干擾性更勝一籌。
嚴格實時性：對于工業閉環控制應用，數據傳輸延遲應低于1.5倍的傳感器采樣時間。ZigBee pro 網絡針對工業通信對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為毫秒級，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms，加上ZigBee pro 新的路由算法，大大提高了網絡路由器效率；再通過多跳接力的方式進行傳輸的延遲大幅降低，完夠保證端對端通信實時性。
低能耗:用于對工業全流程進行泛在感知的無線傳感器節點由于成本的限制和安裝條件限制，通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。
安全性：隨著工業控制系統網絡化進程的推進，網絡安全和數據安全問題日益突出，一些安全漏洞將給工業控制應用造成巨大的損失。無線通信由于信道的開放特征更容易容易受到攻擊，其安全保障機制將更加復雜。
為了工業網絡應用設計了安全模式（High Security Mey），就是當節點加入到網絡時，信托中心（TrustCenter,TC）會先配一把鑰匙（Master Key）給新加入的節點，然后，新加入的節點在用這把鑰匙加密后產生一把網路公用的網路金鑰，網路金鑰（NWK Key）放在應用層有效載荷中傳輸給對方，然后再通過網路傳輸加密資料。ZigBee pro的安全設計，完夠實現工業無線網絡對安全通訊的主要要求；而且，新的16位，32位無線單片機具有強大的處理能力，已經完全具有能力實現復雜的安全算法的能力，應對工業無線傳感器網絡提出的挑戰。
兼容性：為了保護用戶的原有投資，基于工業無線傳感器網絡要具有與工廠原有的有線控制系統互聯和互操作的能力。采用ZigBee pro設計的無線網關，能夠實現和目前工業以太網，CAN總線，各種工業控制總線的無縫連接，和互聯網的IP通訊。ZigBee也是無線傳感器網絡的重要標準，是具有很好兼容性的工業無線傳感器網絡網絡協議軟件。
綜上所述，以傳感和控制為目標的ZigBee pro無線網絡，具有加強版商業級和工業的協議棧，完全可以滿足上述五個方面的要求，使用ZigBee pro協議棧，完全可以設計出滿足特別應用要求的工業無線傳感器網絡項目和產品。
圖一是一個典型的工業用無線傳感器網絡示意圖，部分是低功耗的傳感器節點（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風能。機械振動發電等），網絡路由器（具有網狀網絡路由功能）和無線網關（將信息傳輸到工業以太網和控制中心，或者傳輸通過互聯網聯網）
WSN系列工業無線傳感器網絡系統簡介
一． 系統概述
WSN系列工業無線傳感器網絡系統是由山東科技大學測控系與泰安斯耐特自動化設備有限公司自主研發的工業無線網絡監控系統，主要應用于各類工礦企業中對諸如溫度、濕度、壓力、荷重、液位、速度、振動、電壓、電流等電量和非電量過程參數的監測和無線傳輸為目的。無線傳感器網絡是基于ZigBee技術，無線網絡具有自動搜索無線終端信號功能，對無線終端測量的現場信號進行中繼與傳輸終送到工業計算機進行相應的數據處理。無線傳感器網絡完全可以取代傳統的有線傳感器網絡，其突出優點是安裝靈活、管理方便、易于更改配置和不易出現線路故障等，特別是在傳感器安裝密度大和不易布線的應用系統中，無線傳感器網絡較有限傳感器網絡更具有不可替代的優勢。
作為傳感器網絡通常安裝在一些關鍵部位對一些特殊的參數進行實時監測，并將檢測的數據通過無線傳輸系統傳輸到上位機進行相應的處理，以備以后的事故和工藝分析查用。上位機管理系統可以實現對被檢測參數進行實時顯示、儲存和數據記錄、信息分析，對超限的參數可以實現聲光報警。操作人員和管理人員可以根據需要對當前或歷史的數據信息進行查詢，查詢內容可以是列表方式，也可以是數據趨勢曲線。通過對歷史數據的查詢和分析，可以對被監測系統的情況有一個比較全面的了解，從而可以判斷系統的正常與否，為安全生產提供可信的實時依據和歷史依據。
二． 主要應用
1、 電力系統變電所戶內外高壓開關、變壓器、熔斷器、互感器的溫度與開關狀態監測；
2、 煤礦主通風機、提升機、壓風機、泵房的各種工作狀態參數的集中監測；
3、 煤礦井下人員定位；
4、 鋼鐵廠溫度、位移等工作參數的集中監測
5、 化工廠、造紙廠等各類液體參數的集中監測；
6、 大型機電設備運行狀態參數的集中監測；
7、 熱電廠供熱參數的集中監測系統；
8、 大型醫院的病房無線呼叫系統；
9、 其他需要集中實時參數監測的場合。
三． 系統設計特點
由于無線傳感器網絡的自身特點，目前大多數的無線傳感器網絡所采集的參數都比較單一。這種設計一方面是從降低無線傳感器終端的設計成本來考慮，另一方面是從降低無線傳感器終端的能量消耗來考慮。而這兩個方面在無線傳感器網絡系統中都十分重要的。但為達到安全監測的目的，應用于安全監控方面的無線傳感器網絡，只采集一個單一的過程參數，在有些時候顯然是不可取的。
在本設計方案中，為進一步提升無線傳感器網絡系統的性能，主要有如下
幾個特點：
1、低功耗
為便于安裝，無線傳感器終端采用電池供電方式，因此無線傳感器終端的低功耗設計尤其重要。本無線傳感器終端按照你每分鐘采集一個數據計算，一節AA鋰電池可以工作5年以上。
2、無線終端具有電池容量（電壓）實時監測功能
作為無線傳感器數據終端的節點通常是工作于電池供電狀態，電池的容量相當于終端的功耗而言通常又是非常有限的，而在本系統中，無線傳感器數據終端又必須是24小時連續不斷地工作。因此，實時監測供電電池的容量狀態對無線傳感器終端保持良好的工作狀態也是非常必要的。通過對電池和電壓的了解，管理人員可以隨時根據電池容量狀態了解各個無線傳感器數據終端工作狀態，一旦發現電池容量不足可及時更換電池，以保證無線傳感器數據終端的正常連續工作。另一方面，電池的容量不足，很可能導致無線傳感器給出錯誤的監測數據或信息，當有了電池容量（電壓）監測參數以后，就可以避免和剔除由于電池原因提供虛假數據信息的可能性。
3、系統采用具有動態時隙定時觸發喚醒突發模式工作
在無線傳感器網絡系統方面，基于該系統的無線傳感器終端節點在局部比較密集，為使無線網絡具有很好的穩健性和安全魯棒性，本系統在無線網絡設計上采用了具有動態時隙定時觸發喚醒突發模式。
4、可以根據系統大小實現不同的組態方式
由于工業監測系統的不同，被監測系統的參數數量也不同。在無線傳感器數量上，本無線傳感器網絡可以實現幾個到幾千個無線傳感器的組態結構。在傳輸距離上可以實現幾米到幾千米的數據傳輸。在傳輸結構上可以實現無線傳感器終端——中繼器——現場數據采集器——網路數據采集器的不同組合。可以滿足各種工業現場數據采集的要求。
四、方案設計
根據工業現場過程參數的特點，無線傳感器網絡可以采用單網工作方式，也可以采用多個無線傳感器網絡構成。
1、無線傳感器終端WSN
無線傳感器終端（WSN）主要完成對工業現場參數的測量，同時也對電池電壓參數進行監測。然后對監測的數據信息通過無線網絡發送到無線中繼器中，并能夠接受無線中繼器轉發的命令信息。
2、無線中繼器WSR
無線中繼器（WSR）的主要作用是完成無線傳感器信息的空間雙向傳輸。當源信息節點到目的信息節點的距離超過無線網絡的傳播距離時，就需要在源信息節點與目的信息節點之間增加一定數量的中繼器，以便與無線信息的空中傳遞。由于無線中繼器的數據傳輸量較大，基于工作分工的考慮，為實時接收無線傳感器的所有信息，無線中繼器需要連續工作，因此無線中繼器的耗電較無線傳感器終端要大的多，通常可以用市電和太陽能供電
3、無線數據采集器WSA
無線數據采集器（WSA）完成對整個無線傳感器網絡的拓撲結構安排、無線終端和中繼器地址的確認分配和信道劃分、無線傳感器的數據的終采集、并將數據信息傳入上位監控計算機。在每個子網絡中具有一個的子無線數據采集器。主無線數據采集器位于子無線數據采集器和監控計算機之間，是無線和有線地接口，而子無線數據采集器位于主無線位移采集器與數據中繼器之間，是無線和無線的接口。
4、監控計算機IPC
根據環境要求，監控計算機可以選用PC或工業計算機IPC。監控計算機的作用主要是對整個系統的數據信息進行存儲、記錄、處理、分析、報警輸出、顯示、查詢等。微型計算機也是整個監測系統的目的終端。
5、軟件SF
計算機監控+軟件可實時顯示文本數據、各種曲線、報警信息和系統狀態等。
可顯示的趨勢曲線主要有被測參數曲線和電池電壓（或容量）曲線以及電池的壽命預測等。文本信息可以根據要求生成所需要的統計報表，可以根據用戶設置提供溫度、電壓的預警信息，以提示管理人員對系統進行進一步的檢查或維護。
五、主要的參數
無線頻率：ISM_433MHz（無需申請頻率） 終端電池壽命：5年（理論值）
無線通信距離：無阻擋400米（可延長） 中繼器中繼能力：85個/每個中繼器
位移測量范圍：0-100mm（可修改） 中繼器的數量：每子系統4-5個中繼器
溫度測量范圍：0-400℃（可修改） 子系統數量：每系統3-4個子系統
測量終端數量：幾十到幾千個（基本參數） 每臺監控計算機可以支持2-3個監測系統
