关于无线通信在港口的应用和发展探究
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摘要：本文主要分析了目前港口机械中无线通信网络使用情况,并根据目前所流行的无线通信技术介绍了未来港口设备中无线网络的发展方向。无线通信越来越多地进入到自动控制领域。
关键词 无线通信; 港口; 设备; 应用;
前言
无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。由于无线现场仪表的优点一定要体现在用电池长期供电上, 所以一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合, 它足够可靠, 可以用在将近 80% 的自动化和过程控制场合。无线传输的自动化产品和无线通信网络可在港口机械上更多更广泛地使用。
一、港口设备上使用的无线通信网络
目前港口现场层使用的无线通信较多采用两种通信网络, 分别为 IEEE 802. 11(无线局域网W LAN ) 和 IEE 802. 15. 1 ( 蓝 牙 ) 。其中 IEEE802. 11(W LAN )适应较大传输覆盖面和较大信息传输量, IEE 802. 15. 1(蓝牙 )属于无线短程网。
1、无线局域网
（1）无线局域网概述
传统意义上的局域网 ( LAN), 其各类设备被网络连线所禁锢, 无法实现可移动的网络通信, 随着可移动通信工具广泛应用, 计算机网络面临着新的需求, 无线局域网 (WLAN)应运而生, 它弥补了传统网络的不足, 实现了可移动的数据交换。工业 WLAN比一般企业办公和家庭应用环境用的 WLAN要求高许多, 可归纳如下:
① 严格的延迟要求: 用于现场设备要求延迟不大于 10ms, 用于运动控制不大于 1ms, 对于周期性的控制通信, 使延迟时间的波动减至最小, 也是很重要的指标。② 确定性性能的保证: 保证确定性是对任务执行有严格保证的工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求, 否则会丧失实时性能。③支持大量设备挂网, 并容许挂网设备的接入数量可随机变化: 工业 WLAN接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入节点数有变化, 有可能导致 IEEE 802. 11的 MAC协议层效率太低。④网络安全的保证: 满足安全保密法规是工业 WLAN的基本要求。包括防止黑客用户的侵入及对这些接入点的检测等。⑤网络投用的保证: 由于运行故障是不可接受的, 因此对于有几百个设备节点的 WLAN 来讲, 要求网络具有自投用功能, 并能执行无线配置和辅助节点位置的自动搜索。
（2）无线局域网在桥吊上的应用
桥吊是采用传统的拖令小车带动拖令电缆的形式, 向司机室提供动力和通讯信号, 但其存在较多缺陷:① 日常保养的工作量比较大, 需定期检查和更换拖令小车的水平轮、弹性绳、拖令钢丝绳。② 拖令电缆存在老化问题, 易磨损和断裂,更换电缆成本较高, 时间较长。③ 安全隐患, 拖令小车系统始终处于高速运行状态, 一旦有运行部件损坏的话, 易造成高空坠物等安全事故。碰到大风等恶劣天气易发生勾电缆等较大的机损事故, 给装卸作业带来较大影响。
考虑到上述问题,可采用微波传送控制信号及滑触线传送电动力的设计方式代替传统的拖令电缆系统。
2、蓝牙
（1） 蓝牙技术概述
所谓蓝牙技术, 实际是一种短距离无线通信技术, 能简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等通信终端设备之间的通信。由它构成的现场层网络属于短程网络。
蓝牙技术特点:①全球适用: 它工作在 2. 4G 的 ISM 频段, 使用该频段是免费的, 无须申请许可证。②可建立临时性的对等连接。③ 具有很好的抗干扰能力, 它采用了跳频方式来扩展频谱。④开放的接口标准。全世界任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发。⑤低成本, 一个蓝牙解决方案只需 5- 10美元。蓝牙系统的设计通信距离为 0. 1- 10m, 如果增加发射功率, 这一距离可以达到 100m。
（2） 蓝牙技术在港口使用情况
蓝牙由于受 到通信距离和带宽 (最 大为1M b / s)限制, 在港口使用并不多见, 只在 BROMMA 吊具上安装了蓝牙接口。依靠较大的发射功率, 在需要时可以在码头上通过手持带蓝牙功能的移动设备直接观察到吊具上的传感器工作状态, 有利于判断吊具上的故障。
二、 发展趋势
（1） Z igBee概述
ZigBee目前来说主要是为自动化控制数据传输而建立的, 是一个由可多到 65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台, 每一个无线数传网络模块类似移动网络的一个基站, 在整个网络范围内它们之间可以进行相互通信; 每个网络节点的距离可以从标准的 75m, 到扩展后的几百 m, 甚至几千 m; 另外整个 ZigBee网络还可以与现有的其他各种网络连接。
（2） Z ig Bee与蓝牙的比较
在现场层无线网络中, 同样属于无线短程网的 IEE 802. 15. 4/ZigBee要比 IEE 802. 15. 1/蓝牙具有更广泛的应用前景。主要基于以下原因:①Z ig Bee的应用开发门槛远低于蓝牙, 其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发的 10%, 其最简单的 RFD节点的软件开发工作量仅为蓝牙的 2%;② Z ig Bee的功耗远低于蓝牙, 这是因为就发射的频宽比来讲, Z ig Bee为 0. 01, 蓝牙为 0. 99,即 Z ig Bee发射时间只占其周期的 1% , 而蓝牙却占 99%。在非工作模式下 Zig Bee处于睡眠模式, 在工作与睡眠模式之间的转换时间, 一般启动时间为 15ms;③ Z ig Bee的网络节点容量远多于蓝牙;④ 高安全, Z ig Bee提供了三级安全模式, 包括无安全设定、使用接入控制清单 ( ACL)防止非法获取数据, 以及采用高级加密标准 ( AES- 128)的对称密码。
总之 Z ig Bee低功耗、低成本、传输可靠性高、简便实用等优越性,可在自控行业广泛使用。
（3）在港口设备使用的前景
在港口, 设备上主要传递的是通用传感器、编码器信息, 需要采集或监控的网点较多。并且随着技术的进步, 愈来愈多的监控设备已被安装到生产设备上, 例如门禁装置、火警报警装置、网络摄像装置、GPS定位装置和振动检测装置等, 有线技术的不足之处也日益显现。许多新增装置只能单独使用, 无法进一步发挥系统的作用。现在愈来愈多的基于 Zig Bee技术标准的网络传感器已被使用, 愈来愈多的基于 Z ig Bee技术标准的网络协议被开发, 由此组建的网络系统特点如下:
① 传输准确可靠;② 组网灵活、自动配置;③ 支持各类型的传感器和执行器;④双向传输数据和控制命令;⑤ 系统可靠, 具有自动恢复功能,
万一某节点丢失, 节点将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠和稳定。在港口设备采用 Zigbee技术, 会因这些特点而受益匪浅。低功耗、高可靠性的工业级的无线变送器系列, 其降低能耗的潜在能力，已为美国政府能源部所看好。他们希望利用无线网络技术广泛而实时地跟踪和监测生产过程, 主要针对钢铁、电解铝等 6个耗能大的行业, 减少甚至杜绝跑冒滴漏, 以获得显著的节能效果 (能耗降低 15% )。
三、结束语
随着无线技术的日益完善, 现在逐步地进入了自控领域, 用于工业控制的无线技术主要集中在无线局域网和无线短程网两个方向。现可以在起重机设备上看到了无线通信的应用,基本为现场总线和无线通信技术的结合形式。无线通信网络是工控领域中迅速发展的热点之一, 也是工业自动化产品的新增长点。而在配置、安装、修改和扩展等方面, 无线网络的成本都低于有线网络。特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备, 例如在物流过程中装载和运输如采用无线网络, 将大大提高工作人员的工作效率和精确性。通过在桥吊、轮胎吊和集卡上安装无线设备, 组建成强大的移动网络, 强化生产作业实时性, 极大提升了装卸效率, 经济效益不言而喻。
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