壹、無線局域網簡介
壹般來說，任何使用無線傳輸介質的局域網都可以稱為無線局域網。這裏的無線媒體可以是無線電波、紅外線或激光。無線局域網技術可以非常方便地將無線局域網中的網絡設備連接起來，人們可以隨時、隨地、隨心所欲地訪問網絡資源，這是現代數據通信系統發展的壹個重要方向。無線局域網可以在不使用網線的情況下提供網絡互聯功能。
1.無線保真簡介
WLAN的協議標準已經制定了很長時間，但是WLAN由於速度慢、協議標準不統壹、價格高，用戶不願意使用WLAN進行保護投資，壹直沒有得到廣泛應用。近年來，隨著高速無線通信協議的引入，無線局域網發展迅速。
IEEE802.11是IEEE802標準委員會在1997中采用的第壹個無線局域網國際標準。1999年9月，該委員會頒布了IEEE802.11b標準，該標準包括ISO/OSI模型的物理層和媒體訪問控制層(MAC)。標準工作在2.4 GHz，傳輸速率可以達到11 Mbps。根據IEEE802.11b標準，節點設備分為基站和客戶端站，它們之間可以直接通信，也可以在基站的統壹管理下進行通信。基站和壹組客戶站之間的連接稱為基本服務集(BSS ),兩個或多個BSS形成擴展服務集。IEEE802.11b標準規定了三種實現物理層的方法，即跳頻擴頻方法FHSS、直接序列擴頻方法DSSS和紅外技術IR。在MAC層，CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免)技術用於通信介質訪問。為了盡量減少沖突。802.11b設計了獨特的MAC子層，如圖1所示。下層稱為分布式協調功能(DCF)子層，它使每個節點能夠以競爭的方式使用信道，並向上提供爭用服務。這種信道接入方式可能會導致沖突，但信道利用率高。上層稱為PCF(點協調功能)。
圖1 MAC子層1 IEEE 802.11+0
子層，采用集中控制接入算法，基站通過輪詢的方式將通信權依次交給各個客戶站，避免了沖突。但是基站需要周期性的輪詢所有的客戶端站，占用大量的時間，所以適用於中小型網絡。無線局域網技術仍在發展。RADIA-TA和Atheros宣布將分別推出IEEE802.11a芯片組。802.11a的數據傳輸速率為54 Mbps。Atheros聲稱其芯片組在“Turbomode”(增強模式)下可以達到72 Mbps。對於802.11a來說，不僅能提高傳輸速率，還能工作在5 GHz的頻率，從而避開擁擠的2.4 GHz頻段。2001 11 15，IEEE初步批準了壹項新技術，802.11g，可以提高家庭、公司、公共場所的無線上網速度，使無線網絡的傳輸速度達到每秒54 Mbps，相比之下，以上介紹的技術標準可以通過下表1進行對比。
表1技術標準、頻率分配和傳輸速率
技術標準
制定年份
頻率占用
最高率
調制技術
802.11
1997
2.4GHz
2Mbps
FHSS
802.11b
1999
2.4GHz
11Mbps
DSSS
802.11a
1999
5GHz
54Mbps
正交頻分多路復用技術（Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫）
802.11g
2000
2.4GHz
54Mbps
DSSS
描述:
1.802.11，802.11b，802.11g都工作在2.4GHz的ISM(工業、科學和醫療)頻段，不需要向電臺報備。但802.11a工作在5GHz頻段，暫時關閉，需要申請。
2.802.11a和802.11g均有最高54Mbps的物理層速率和最高25Mbps的傳輸層速率，但穩定性有待進壹步提高，成本較高。802.11b最高速率可達11Mbps，由於起步早，技術成熟，成本低，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
無線局域網與傳統有線局域網的區別在於，無線局域網壹般采用無線電作為傳輸介質，而不是傳統的電纜。對於IEEE 802.11b WLAN，有三個可選的物理層:跳頻擴頻(FHSS)、直接序列擴頻(DSSS)和紅外(IR)。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頻技術，用於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WLAN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)，采用直接序列擴頻技術，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，無線局域網的MAC協議和有線局域網的MAC協議沒有本質區別。然而，由於無線傳輸介質的固有特性和移動性的影響，無線局域網的MAC協議不能遵循原有的局域網協議。例如，IEEE 802.3的MAC層采用CSMA/CD使不同的站點* * *共享同壹個物理信道。實現CSMA/CD的壹個重要前提是每個站點都能方便地實現沖突檢測功能。在有線局域網(如以太網)的情況下，根據被測電纜上DC分量的變化，可以很容易地實現碰撞檢測。然而，當使用無線傳輸介質時，由於以下原因，難以實現沖突檢測。
1)沖突檢測的能力要求每個站同時發送(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)，這樣會增加信道的成本。
2)更重要的是，因為隱藏終端問題，即使壹個站有檢測沖突的能力，並且在傳輸的時候已經檢測到了沖突，在接收端還是會有沖突。
鑒於上述原因，無線局域網協議標準IEEE 802.11b采用具有沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)協議來實現無線信道共享。
簡單的CSMA/CA可以如下實現:在發送數據分組之前，無線設備將監聽以查看其他無線設備是否正在發送。如果傳輸正在進行，設備將等待壹個隨機確定的時間，然後監聽。如果沒有其它設備正在使用該介質，該設備將開始傳輸數據。因為很可能壹臺設備在發送數據的同時另壹臺設備也在發送數據，所以為了避免這種沖突造成的數據丟失，接收設備會檢測收到的數據包的CRC，如果正確，它會向發送設備發送確認，表示沒有沖突。否則，發送設備將重復上述CSMA/CA過程。
為了將兩個無線設備同時傳輸導致沖突的可能性降至最低，802.11設計人員使用了壹種稱為發送請求/清除發送(RTS/CTS)的機制。例如，如果數據到達由無線節點指定的無線接入點(AP ),則AP將向該無線節點發送RTS幀，請求壹定量的時間來向其發送數據，並且無線節點將用CTS幀來響應，指示它將阻塞任何其他通信，直到AP發送了數據。其他無線節點也可以聽到正在進行的數據傳輸，並將其傳輸延遲到該時間之後。這樣，節點之間傳輸數據時，設備造成介質上碰撞的可能性最小。這種傳輸機制也解決了WLAN中隱藏終端的問題。
為了確保數據不會在傳輸中丟失，CSMA/CA還引入了確認(ACK)機制。在接收到數據之後，接收器向發送單元發送確認通知ACK。如果發送方沒有收到ACK，表明數據丟失，數據將再次傳輸。
3.無線局域網的實時性能分析。
IEEE 802.11b無線局域網標準在媒體訪問控制層采用CSMA/CA協議實現無線信道的* * *享受。在網絡負載較輕的情況下，沖突的幾率很小，有些無線網絡產品采取壹些附加措施，甚至可以完全避免沖突。比如Wi-LAN的無線產品AWE 120-24，采用的是動態時間分配輪詢的方式:當有多個無線遠端設備與基站通信時，基站會根據遠端站的ID依次詢問每個遠端站是否有數據要發送，如果有數據要發送，就會給它分配壹個時間片。如果沒有，它會繼續往下問，以此類推。這裏所謂的動態輪詢，是指用戶可以設置基站的輪詢方式，減少對不活躍站點的查詢次數，以保證不會浪費時間片。動態時間分配輪詢技術完全避免了沖突，可以獲得比CSMA/CA更好的實時性能。這使得無線技術在工業控制網絡中的應用成為可能。
3.基於無線技術的網絡化智能傳感器介紹
計算機網絡技術、無線技術和智能傳感器技術的結合產生了壹個全新的概念“基於無線技術的網絡化智能傳感器”。該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，這是壹種嵌入式應用，即將TCP/IP協議固化到智能傳感器的ROM中，使現場數據。這種基於無線技術的網絡化智能傳感器，使得工業現場數據可以通過無線鏈路在網絡上直接傳輸、發布和欣賞。
無線局域網可以在普通局域網的基礎上，通過無線集線器、無線接入點(AP)、無線網橋、無線調制解調器和無線網卡來實現。
在工業自動化領域，有成千上萬的傳感器、探測器、計算機、PLC、讀卡器等設備，需要相互連接形成控制網絡。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信號轉換器將工業設備的RS-232串行信號轉換為無線局域網和以太網的信號，符合無線局域網的IEEE802.11b和以太網的IEEE 802.3標準，支持標準的TCP/IP網絡通信協議，有效擴展了工業設備的組網通信能力。
第四，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。近年來，許多研究者也開展了這方面的研究工作。中科院沈陽自動化所曾鵬等人基於FF(現場總線基金會)頒布的FFHSE(高速以太網)，結合無線以太網標準IEEE802.11b，構建了現場級無線通信協議棧。該協議棧維護了基金會現場總線的通信模型，可以完成無線設備之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網絡與IEEE802.11無線局域網的互聯。Mario Alves等人估算了基於廣播現場總線/無線網絡的混合網絡的消息傳輸延遲時間。C.Koulamas等人研究了將Profibus與基於IEEE802.11b的DSSS物理層相結合的性能。
除了理論研究，無線通信技術已經在壹些工業控制網絡中得到應用。例如，在基於DeviceNet、Control-net和Ethernet/IP的三層控制網絡系統中，美國Rockwell公司增加了無線以太網來實現無線通信。德國西門子公司將無線以太網技術結合到基於PROFIBUS-DP和Profinet的控制網絡中，使控制網絡具有無線通信功能。由於無線網絡無可比擬的優勢，可以避免大量的線路連接，節省系統的建設成本和維護成本，滿足壹些特殊場合的需求。同時大大增強了系統組成的靈活性。再加上無線通信技術本身的不斷完善，無線通信技術在工業控制領域將會有廣闊的發展空間和應用前景。
動詞 （verb的縮寫）無線技術在工業控制網絡中的應用方案及設備
1.無線工業控制方法
通過使用基於無線技術的網絡化智能傳感器，結合基於IEEE 802.11b的各種無線局域網網橋，可以實現無線局域網技術在工業控制網絡中的應用方案。無線LAN網橋用作無線接入點(AP)。基於無線技術的網絡化智能傳感器對現場數據進行采集和處理，並用TCP/IP協議對數據進行封裝，通過無線鏈路發送給AP。由於高層無線鏈路和有線以太網采用TCP/IP協議，低層協議對高層協議透明，實現了無線網絡和有線網絡的無縫連接。通過互聯網，可以實現遠程監控。
2.無線設備的選擇
要實現無線網絡，壹般有兩種設備可供選擇。壹種是無線局域網橋，可以將多個無線站連接到現有的局域網中；另壹類是無線通信設備，如無線網卡、無線調制解調器等。接下來，我們將介紹研華的無線設備。
A.WLAN-9200系列11Mbps工業無線局域網接入設備。
WLAN-9200是室外使用的增強型11Mbps無線LAN網橋。它可以將多個遠程工作站連接到局域網，而無需任何物理布線。
特點:
支持IEEE 802.1lb標準2.4GHz ISM頻段。
支持高級用戶認證，提供強安全性WEP128，MAC地址控制。
帶有符合IP 66/NEMA 4x標準的防銹外殼，保護系統免受損壞。
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，可以輕松設置溫度。
采用IP66防水接口，保護電源、局域網和無線接口。
提供各種天線，增加傳輸距離。
WLAN-9200是室外使用的增強型11Mbps無線LAN網橋。它可以將多個遠程工作站連接到局域網，而無需任何物理布線。這樣就節省了維護和建立相應有線網絡的費用。WLAN-9200具有堅固的外殼，可以防止水、酸、閃電、低溫和高溫對系統的損害。由於這些特點，WLAN-9200非常穩定可靠，是戶外應用的理想選擇。因此，WLAN-9200非常適合在水庫、建築物等布線困難的惡劣場所使用。WLAN-9200兼容IEEE 802.1lb標準，具有各種強大的功能。同時提供高安全性保護(WEP: 128位)、DHCP客戶端、SNMP代理等。，可以提供11Mbps的高傳輸速度。此外，為了滿足室外惡劣環境的要求，WLAN-9200還提供了先進的系統保護功能:發光保護、散熱風扇、加熱器、防水接口、工業設備箱、電源/局域網同軸電纜等。
成本低，安裝簡單。
WLAN-9200可以將不同的分布式站點連接在壹起，形成壹個更大的無線網絡。它可以節省遠程位置的布線成本。WLAN-9200經過特殊設計，用戶可以方便快捷地安裝或拆卸。此外，WLAN-9200還提供按鈕和LED顯示屏，用於顯示和設置高/低溫。用戶可以使用它來快速建立自己的無線網絡。為了在更遠的範圍內使用，WLAN-9200還提供了各種天線來擴展傳輸距離。
可靠、穩定和堅固的設計
WLAN-9200采用先進的設計，具有防銹防水外殼，可有效保護系統。符合IP 66/NEMA 4x標準，具有耐腐蝕、防紫外線、安全、自動滅火等特點。為了防止WLAN-9200過熱或過冷，研華還在內部設計了冷卻風扇和加熱器，用戶可以設置高/低溫設置。當工作溫度高於或低於用戶指定的溫度時，冷卻風扇或加熱器將開始工作。此外，WLAN-9200還提供防水接口和防雷保護，可以保護電源、局域網和天線接口。
遠程站點之間的快速數據傳輸
WLAN-9200完全兼容IEEE 802.1 lb，提供11Mbps(空中)的速度，支持更快的數據傳輸。WLAN-9200采用2.4 GHz ISM頻段的DSSS技術，不會受到噪聲的幹擾，數據傳輸更加安全可靠。
保持交流的私密性
WLAN-9200采用各種安全功能來保護您的無線網絡(WEP128加密、MAC地址控制和密碼安全)。通過采用高級WEP128加密，您可以選擇WEP密鑰來保護您的數據，並防止未經授權的無線用戶查看這些數據。只有接入點和無線適配器是可訪問的，各種安全機制協同工作，有效地防止對有線和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是壹種直接序列擴頻無線調制解調器。它工作在2.4GHz的ISM頻段，無需應用就可以在世界各地使用。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他設備進行通信。
ADAM-4550工作在半雙工模式，以1Mbps的速率傳輸無線數據。輸出功率100mW，如果使用自帶的小天線，傳輸距離可達150米，如果使用研華的高增益室外天線，可超過20公裏(視距)。
RS-485標準支持半雙工通信。這意味著可以使用壹對雙絞線發送和接收數據。數據流的方向通常由握手信號RTS(請求發送)控制。但是ADAM-4550有壹個特殊的I/O電路，可以用來檢測數據流方向，在沒有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可靠的“點對點”或“點對多點”網絡無線連接。典型應用是通過RS-232將壹個ADAM-4550模塊與主機相連，並將其他ADAM-4550模塊放置在遠程站點。每個ADAM-4550模塊可以通過RS- 4550網絡與遠程設備連接。遠程ADAM- 4550模塊向主ADAM-4550模塊傳輸遠程數據，主ADAM-4550模塊通過無線傳輸向遠程ADAM-4550模塊發送控制命令。
規範
Rs-232/RS-485傳輸速率(bps): 1200，2400，4800，9600，19.2K，38.4K，57.6K，115.2k。
RS-232接口連接器:孔DB-9
RS-485接口連接器:插入式螺絲端子支持AWG1-#12或2-#14-#22(線徑0.5至2.5mm2)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:直接序列擴頻PSK
無線收發器地址:軟件可以配置254個不同的地址。
通信距離:550英尺有效距離(在開放空間使用2dBi全向天線的情況下)，實際距離取決於環境條件、天線類型和位置。
工作溫度:-10？0?2到70℃(14？0?2至158 F)
電源要求:+10 ~+30伏直流電
功耗:4W
尺寸:60毫米×120毫米(2.36英寸× 4.41英寸)
特性
RS-232或RS-485可通過軟件配置，數據傳輸速率可達115.2kbps。
通過外置天線和放大器，傳輸半徑可超過20km。
內置看門狗定時器和自動RS-485數據流控制
擴頻無線調制
工作在全球通用頻段(2.4GHz)，無需應用。
模塊間1Mbps無線數據傳輸速率
軟件可配置無線收發器地址
方便安裝DIN導軌、面板或堆疊
存儲通信設置的EEPROM
支持點對點或點對多點應用
透明的IEEE802.1協議和10K緩存，確保數據完整性。
用於故障診斷的電源和數據流指示器
帶有無線連接測試的診斷軟件
符合FCC Part15和ETSI 3000.683/300.328標準。
不及物動詞結論
通過WLAN很容易控制工業設備，但成本略高。目前大部分無線控制采用的是IEEE802.11系列協議，可以和我們大部分局域網采用的以太網無縫連接。因此對用戶層測控程序沒有影響，只需要簡單配置原方案中的物理層設備。比如上面提到的選用研華的無線產品，替代原有的有線通訊設備，其他軟硬件配置不受影響。