工业自动化领域中的无线技术分析

2022-07-07田向丽

现代工业经济和信息化 2022年5期

田向丽

（山西省林业职业技术学院，山西太原 030003）

引言

自动化是工业高速发展的基础，PLC控制器、DCS控制系统等均是实现工业自动化生产的关键。工业的发展离不开先进的技术，无线传感器网络作为新型技术之一必不可少。无线传感器网络需要相关的通信、传感器以及计算机等技术作为支撑，实现无线传感器网络技术的关键在于完成无线传感器节点的匹配性设计，包括硬件平台的设计和上层网络应用协议的开发[1]。本文将针对工业自动化领域中的无限技术中的传感器网络技术中的节点进行设计，并完成其功能的实现。具体阐述如下：

1 基础理论原理研究

无线传感器网络具有体积小、成本低的优势，该传感器网络技术可根据功能需求的不同，为其配套并配置不同类型的传感器。在工业常规应用中，无线传感器网络结构如图1所示。

如图1所示，无线传感器网络的结构主要包括五个功能单元。其中，收发单元对数据进行采集和发送；处理单元对所采集数据进行分析处理；传感单元对工作现场参数进行采集；能量来源单元为网络提供动力、能量。根据应用环境和功能需求，还可为其拓展天线和相应的功能扩展模块。

无线传感器网络具有以下特点：

1）传感器网络中的硬件成本偏低。

2）在实际应用过程中仅需要消耗较少的能源即可实现预设的功能。

3）节点运行过程中需要配套动态拓扑结构，以弥补无线传感器网络节点故障率偏高的缺陷。

4）在实际应用中节点的数量较多，呈现较为密集的分布状态。

处理器模块主要包括有MSC—51微控制器和ARM处理器等，在选型时需综合考虑整机的处理能力和功能等因素。对于无线通信模块而言，可通过电磁波、超声波以及激光等基本技术实现通信，在实际选型中需根据通信的频率、传输距离、功耗以及传输效率等因素综合考虑。传感器模块在选型时需特别注意传感器电路和信号处理功能两项指标，能量管理模块选型时需特别关注成本、能量损失以及重量等因素。

2 无线传感器网络节点的设计

根据工业生产的实际应用需求，结合无线传感器网络节点的设计原理及各个模块的选型原则，本节将对涉及到的各类模块进行选型，并结合设计标准完成各类模块之间的硬件互联设计，为功能实现配套相适应的PCB板。

2.1 各类模块的选型设计

总体设计：所选型的无线传感器网络节点中的数据处理模块为MSP430，数据收发模块为CC2420模块，能源模块选用两节AA电池实现供电功能，所配置的传感器包括有温度传感器、湿度传感器、红外传感器和光照传感器等。

无线传感器网络节点中的天线模块为频率为2.4 GHz的PCB印制天线，该型天线的增益为3.3dB，天线的尺寸为25.7 mm×7.5 mm。该型天线的结构紧凑且成本偏低，非常适用于无线传感器网络节点中的设计要求。

鉴于所选型的MSP430的数据处理模块自带的数据存储器的存储空间有限，还需为节点配置外部存储器，该节点所配置的外部存储器为Flash外部存储器，具体型号为M25P80，实际存储功能为1 MB。

2.2 硬件模块的互连设计

为保证各类模块功能的充分发挥，保证最终网络的有效性，需将上述各类模块实现互联。电路为实现互联的基础，根据功能需求设计基带电力和射频电路。其中，基带电路的主要功能是实现MCU的各个管脚与其他模块管脚的连接，射频电路的主要功能是实现天线与RFIC的连接。

2.2.1 基带电路的设计

基带电路设计后能确保各个模块与MUC之间的通信，为后续实现稳定的数据采集和处理功能奠定基础。无线传感器网络节点中基带电路如图2所示：

2.2.2 射频电路的设计

射频电路是实现PCB天线与收发芯片之间互联的枢纽，射频电路除了实现射频信号的转化外，还能够实现节点网络中的阻抗匹配。为了避免引入BALUN电路，天线采用平衡的偶极子天线，对应的射频电路中有电阻与电容组成的振荡电路和微带线。

2.3 PCB板的结构设计

鉴于无线传感器网络节点密集，即分布较为紧凑的特点，综合成本因素，一般在工业中应用的PCB板的结构采用4层结构，包括有2层正表面和2层反表面。其中，顶层和底层为信号层，中间与射频电路层相邻，为保证射频电路的射频性能，在顶层和中间层之间铺设一层铜箔，保证信号的回流质量[5]。

为避免信号的完整性受到干扰，将涉及到高速线布置于靠近地面的一层中，或者是在高速线的一层另外并行走两条地线，达到屏蔽的功能。结合无线传感器网络节点的空间要求，一般将PCB的总厚度设计为1 mm，其中，顶层与底层之间介质的厚度为0.3 mm，地层和中间层之间介质的厚度为0.4 mm，中间层和底层之间介质的厚度为0.3 mm。