无线网络简介 [白皮书]

2008年12月3日

DX80DR9M-H MultiHop with Solar Panel Network

简介
网络构建块
常用网络拓扑
网络配置
邦纳无线系统
术语表

简介

我们都熟悉高度连接的无线网络（例如手机网络），但出于对可靠性、性能和安全性的担忧，使得这种核心网络技术无法进入车间。相反，在自动化应用中使用的当前一代无线产品通常依赖于简单的发射器/接收器对，不提供高级网络。

为充分利用无线产品，自动化和工艺工程师以及管理人员需要了解这些产品如何相互协作或联网。

本文概述了网络的基础知识：

基本网络构建块
常用网络拓扑
网络配置

网络构建块

所有网络都由基本构建块构成。在过去二十年间，网络工程师已经使用这些基本网络构建块创造出了源源不断的产品，这些产品越来越可靠、快速、节能，已经渗透到日常生活的方方面面。

以下构建块用于无线传感器网络。

节点是网络中最基本的构建块。在技术上，网络中的每个设备都是一个节点，但就此用途而言，节点也是一种包含一个或多个传感器和/或执行器以及一个无线电的无线网络设备。即使该无线电可能有多个传感器，网络中的每个无线电也只表示一个节点。

中继器通过接收信号、增强信号，然后在无线电发射器侧重复此信号，由此可在较长距离传播无线电信号。

路由器则作为两个或更多类似网络之间的连接点，允许在它们之间传输信息。

网关是与另一种使用不同协议的网络交互的节点。它将信息转换成另一种网络能够理解的形式。由于大多数网关还包含路由功能，因此可以将网关视为两个背靠背的路由器，这两个路由器对于各自的网络使用不同的语言。

常用网络拓扑

在讨论网络时，拓扑是指网络中节点的连接方式。

点对点 - 最基本的网络形式称为点对点。顾名思义，在此网络中，两个设备相互连接。

总线 - 在总线网络中，节点通过通用通信路径连接，这种路径就叫做总线。在总线网络中，决定哪个节点可以在特定时刻发送数据的两种最常见的方法就是主/从和载波侦听多路访问（CSMA）：

在主/从方法中，总线上的一个设备为主设备，它定期接触或轮询其他设备 - 即从设备。Modbus是在大区域部署网络，或在连接现有有线网络时的首选主/从总线网络协议。
在CSMA总线结构中，网络上的设备会在每个定时周期（有时称为时期）唤醒，并感知它们能否在网络上发送消息，如果能够，则发送其消息。

多点对点 - 当许多设备连接到单个点时 - 例如当多个节点连接到单个网关时，就称为多点对点。由于其形状的缘故，这种网络也被称为枢纽航线网络或星型网络。星型网络的一个优点是每个节点都在自己的通信路径上连接到网关。如果一个节点与主设备之间的通信发生故障，网络其余部分不会受到影响。

树型 - 将中继器添加到基本星型架构中便可得到树型拓扑。最底层的是节点，简称叶。它们唯一的功能就是将信息传输到下一个最高级别。中级设备是中继器，顶层则是网关。在这种设计中，如果其中一个中继器发生故障，节点与其网关之间的连接就会丢失。

网状 - 为了提高可靠性，网络设计师开发出了一种叫做网状的架构。在真正的网状网络中，每个节点具有有限的路由功能，并且与至少两个其他节点保持网络连接。这样，如果一条链路断开，则信息具有传输到网关的替代路径。此种情况下的网关可以是网络中的任一节点。

网络配置

寻址

要接收消息，网络中的每个节点必须具有唯一地址。地址在创建网络时定义，也即在节点、中继器和网关之间建立无线链路时定义。

无线传感器网络无需对互联网使用那种复杂的动态寻址方案。相反，它可以使用简单的静态寻址方案，只需依赖于两个易于接近的旋转开关：

左旋转开关设置网络ID，这是顶层地址。它建立了无线电跳频模式，该特定网络ID上的所有节点都使用该种模式来与网关通信。可以设置十六个网络ID（0-15）。
右旋转开关设置节点的设备地址。它的值可以是0-15。

配备两个旋转开关的网络支持256个唯一地址，也即16个网络ID和16个设备地址可能的组合。

现场勘测

在安装无线网络之前，需进行现场勘测，以确认所有组件都可在自身所在的区域通信。虽然这个过程可能复杂且费用不菲，但是无线网络设备可以被设计成内置现场勘测工具。当用户请求网关发起特定节点的现场勘测时，该工具将自动执行所有测试。

移动网络上的信息

在无线网络中的地址之间传输的信息被包含在格式化的块中，这种块叫做数据包，它由三个元素组成：标题 - 其中包含数据包所要发送到的地址和所发送信息的类型；有效载荷 - 即数据本身；报尾 - 用于指示数据包结束。

为了可靠地发送该消息，需要具备高效的网络来调节设备之间的通信。一般来说，大多数网络支持主/从概念，在任何时候，网络上的一个设备是控制网络的主设备，其余的则是做出响应的从设备。网关可以是主设备，所有节点是从设备。又或者，如果网关连接到联网的计算机，则该台计算机可以是主设备。

网络接收消息的配置方式会影响系统的性能。为正确了解任何无线系统的功能，了解网络支持的消息类型很重要。

轮询。主设备轮询从设备，看它们是否有任何消息通过网络发送。如果一个从设备有一条消息，它会针对一个特定地址产生一个数据包，当主设备发出信号时，便通过网络发送这条信息。主设备以这种方式控制对网络的访问，确保每个节点具有用于传输其消息的特定间隔。
循环。从设备根据特定参数设置（例如“每三分钟发送一次温度”），向主设备定期生成一条消息。从设备从睡眠模式中唤醒，采集温度读数，打开无线电，侦听网络上是否有任何可识别的流量，如果没有，它将组合一个数据包并通过发射器发送该数据包。
事件驱动。一个事件（例如过温或电池电量不足）会触发一条消息。在这种情况下，节点通常需要快速访问网络，以便通知主设备。

邦纳SureCross系统

邦纳SureCross™无线产品将网络的四个基本构建块的功能整合到两个不同的硬件包中：节点和网关。节点可连接多达四个不同的传感器和/或执行器。网关执行路由功能，可以配置为Modbus网络的中继器或网关。

SureCross被设计为既可靠又易于网络化：

SureCross使用星型拓扑架构，允许节点仅将信息传输到网关，从而减少不必要的无线电流量。每个邦纳网关作为集线器，可以支持多达16个分支或节点，每个节点可以支持多个传感器。
SureCross地址使用两个支持256个唯一地址的旋转开关进行配置。
通过配置SureCross网关以使用不同的通道，允许多达16个不同的集线器和分支网络占用相同的无线电空间。
如果连接到中继器的无线电链路在预定时间段内丢失，为确保安全性，用户可以在节点上配置传感器以执行特定操作（例如关闭阀门）。
每个邦纳SureCross节点和网关都内置有现场勘测工具，而网关LCD则会显示其余结果。
SureCross网关支持三种输出模式 - 串行、以太网和Modbus。

定义

Term	Definition
cyclic reporting	information is transmitted to the gateway on a specific schedule
event-driven messaging	information is transmitted to the gateway when defined conditions, or events, occur
gateway	a node that interfaces with another network using a different protocol
network ID	identifier for every device in a given network
network topology	how the nodes within a network are connected
node	a wireless networking device containing one or more sensors and a radio
packet	a formatted block of data transmitted from one network node to another
polling	the network master polls the slave devices to ask for information
radio link loss	loss of the signal between a transmitter and receiver
RF	radio frequency
router	a junction between two or more similar networks that expedites data transfer
site survey	a wireless network tool to analyze the strength of the radio signal between the gateway and a node

特色产品

Performance Series Industrial Wireless Gateways and Nodes

创建点对多网络，在大范围内分布I/O点。输入和输出类型包括离散量（干触点，PNP/NPN），模拟量（0到10V dc，0-20mA），温度（热电偶和热电阻），以及脉冲计数器。

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