2014年第11期液壓與氣動doi: 10. 11832/j. issn. 1000- -4858. 2014. 11. 001作者簡介:郝鵬飛，男，1970 年出生于北京，副研究員，博士生導(dǎo)師。中國機(jī)械工程學(xué)會流體傳動與控制分會青工委委員。長期從事流體傳動與控制及實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。主要研究方向包括流體傳動與控制，實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，環(huán)境與工程流體力學(xué)及微納米流體力學(xué)。主持完成國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，國際合作項(xiàng)目10余項(xiàng)?，F(xiàn)主持國家科技重大專項(xiàng)子課題項(xiàng)目1項(xiàng)，中石油創(chuàng)新基金項(xiàng)目1項(xiàng)，國際合作項(xiàng)目2項(xiàng)。參與完成國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目5項(xiàng)，科技部863課題1項(xiàng)及其他項(xiàng)目20余項(xiàng)。參與研究“10 MW高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器事故排放系統(tǒng)的水錘分析”獲得國防科學(xué)技術(shù)三等獎;發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI檢索論文20余篇，EI 檢索論文10余篇，獲得國家發(fā)明專利5項(xiàng)。氣動技術(shù)中無線技術(shù)應(yīng)用郝鵬飛',孫喜明'2，何楓'(1.清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京1000; 2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京10084)摘要:無線技術(shù)已經(jīng)給人們的日 常生活帶來了很多便利,逐漸改變著人們的生活習(xí)慣和生產(chǎn)控制理念,無線技術(shù)對工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展也將產(chǎn)生越來越大的影響。基于ZigBee 技術(shù)研制多通道通用無線傳輸模塊,實(shí)現(xiàn)了氣動系統(tǒng)無線組網(wǎng)的信號傳輸和時(shí)序控制;研制兩種利用氣缸排氣,為無線元件供電的微型發(fā)電裝置;應(yīng)用無線壓力傳感器組網(wǎng),在線監(jiān)測氣動管網(wǎng)壓力,結(jié)合小波提升算法進(jìn)行氣動泄漏定位檢測。對當(dāng)前主流無線技術(shù)在傳輸距離、傳輸速率、組網(wǎng)能力、功耗和響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)作了對比分析,為氣動技術(shù)生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測控制,以無線傳感器和無線控制器的產(chǎn)品形態(tài)組成無線網(wǎng)絡(luò)的研究提供了參考。關(guān)鍵詞:氣動技術(shù);無線傳感器;藍(lán)牙; ZigBee;無線局域網(wǎng)中圖分類號:TH137;TP21;TP212文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號 :1000-4858 (2014)11-0001 _05Analysis of W ireless Technology for Pneumatic Technology ApplicationHAO Peng-fei' , SUN Xi-ming'", HE上tng'(1. School of Aerospace Engineering, Tsinghua University，Beijing 100084;2. Institute of Nuclear and New Energy Technology , Tsinghua University，Beijing 100084)Abstract: Wireless technology has brought a lot of convenience in daily life, gradually changed people 's habits andindustrial control concepts. w ireless technology has an increasing impact on the development of industrial automationtechnology. This paper presents the research of wireless sensors for pneumatic technology applications and wirelessonline leakage detection, the key issues of wireless technology in pneumatic technology industry, such as reliability,real-time response，and networks capability and so on. The important parameters of transmission distance，transmis-sion rate, networking capability, power and point-to-point communication average response time are compared for theecurent wireless technology ，including Bluetooth, nRF, ZigBee, WLAN, which is useful for the wireless networkswith a wide variety of reliable wireless sensors and controller used in real-time control for pneumatic technology.Key words: pneumatie technology ，wireless sensor, Bluetooth , ZigBee,中國煤化工收稿日期:2014-10-14TYHCNMH G .基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展973計(jì)劃(2012CB72000).2液壓與氣動2014年第11期引言將來,無線設(shè)備勢必采用電池供電或者就近利用環(huán)境自本世紀(jì)初,無線技術(shù)的發(fā)展推動工業(yè)自動化技能源發(fā)電。術(shù)發(fā)生著革命性的變化。近年來無線技術(shù)開始應(yīng)用于目前主流的幾種無線技術(shù)是ZigBee'1] 、Blue-工廠內(nèi)部，在生產(chǎn)、管理、自動維護(hù)等方面都顯示了高.tooh(2}、WLAN ( Wireless LAN )[3]、nRFShock Bburst(4]效率和便捷的優(yōu)越性。氣動技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中等,現(xiàn)在一些科研單位和企業(yè)根據(jù)氣動技術(shù)的工業(yè)應(yīng)的廣泛應(yīng)用,也將面臨引進(jìn)無線技術(shù)的變革性沖擊。用特點(diǎn),在國內(nèi)已經(jīng)開展了無線技術(shù)在流動測量和控當(dāng)前氣動技術(shù)中,傳感器和控制器的信號傳輸方制上的相關(guān)研究。2005 年清華大學(xué)采用無線芯片式均為有線傳輸,而改用無線技術(shù)必將需要可靠的無CC1000研制成功了氣動技術(shù)中的無線測量和控制系線傳感器和控制器,才能組成無線網(wǎng)絡(luò),因此應(yīng)用在氣統(tǒng)')。CC1000是瑞典ChipCom公司的產(chǎn)品,無線傳動技術(shù)中的無線信號傳輸元件的開發(fā)是非常重要的。輸速率9600bps,采用非標(biāo)準(zhǔn)自制通信協(xié)議。2009年常用的單向圖像一數(shù)據(jù)傳輸 的無線技術(shù)監(jiān)測管美國TI公司收購了ChipCom,推出了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)理應(yīng)用,對信號實(shí)時(shí)性、可靠性要求不高。工業(yè)自動化的業(yè)內(nèi)主流無線產(chǎn)品CC2430。2011年成都電子科技?xì)鈩蛹夹g(shù)的生產(chǎn)控制,主要還是嚴(yán)格精準(zhǔn)的時(shí)序控制。大學(xué)黃濤設(shè)計(jì)采用CC2430芯片實(shí)現(xiàn)了多缸無線氣動現(xiàn)有時(shí)序控制多采用可編程PLC總線控制技術(shù),其檢伺服控制系統(tǒng)[6]。2012年成都電子科技大學(xué)翟志敏測控制和反饋信號線路的連接檢修和管理都十分龐等人為解決工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的布局布線等問題,采用雜。由于關(guān)系到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,將無線技術(shù)引CC2430芯片研制了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣進(jìn)到氣動技術(shù)應(yīng)用,所面臨的主要問題是,能否滿足可缸位置檢測系統(tǒng)['”。2012年廣州機(jī)械科學(xué)研究院有靠性和實(shí)時(shí)性兩大要求,無線技術(shù)必須能夠克服所在限公司盧文輝提出了氣動系統(tǒng)無線遠(yuǎn)程故障快速診斷環(huán)境的各種干擾,快速響應(yīng)接收信號和發(fā)送控制指令。和定位方案[8],遺憾的是沒有給出系統(tǒng)采用的無線收氣動技術(shù)的生產(chǎn)控制對信號的實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較發(fā)單元的芯片型號和無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。近年來,國內(nèi)市高。例如,氣缸的運(yùn)動周期常小于1 s,這要求無線數(shù)場上出現(xiàn)了不少無線氣動產(chǎn)品,例如無線氣動溫控?fù)?jù)傳輸有較好的實(shí)時(shí)性。兩個(gè)無線設(shè)備A和B,A在器[9),基于無線遙控的重型卡車氣動剎車裝置[10]等。T,時(shí)刻向B發(fā)送數(shù)據(jù),B收到并回應(yīng)數(shù)據(jù),A收到B但總體而言,針對氣動技術(shù)無線產(chǎn)品的開發(fā)和無線技回應(yīng)數(shù)據(jù)的時(shí)刻為T2。本文將△T=Tz-T,定義為A術(shù)的應(yīng)用還是開展的不多。和B的“數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時(shí)間”。工業(yè)氣動技術(shù)的應(yīng)用本文介紹了針對氣動技術(shù)應(yīng)用所開展的無線傳輸通常要求“數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時(shí)間”在10 ms以內(nèi)。若接收控制、無線元件供電的研制,應(yīng)用無線壓力傳感器進(jìn)行信號在干擾下需系統(tǒng)反復(fù)確認(rèn),必將影響到響應(yīng)時(shí)間。無線泄漏檢測研究。結(jié)合氣動技術(shù)工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用無對于不考慮功耗的應(yīng)用, -旦無線局域網(wǎng)絡(luò)建立就不線技術(shù)的實(shí)際問題,對現(xiàn)有無線技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)作了再斷開,那么網(wǎng)絡(luò)連接對響應(yīng)時(shí)間的影響可以忽略;對對比分析。于講求低功耗的應(yīng)用,例如休眠喚醒,需實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)建立1無線技術(shù)應(yīng) 用研究和信號握手確認(rèn),數(shù)據(jù)通信的總響應(yīng)時(shí)間還要包含尋1.1通用無線傳 輸模塊網(wǎng)和握手確認(rèn)的時(shí)間響應(yīng)。氣動技術(shù)中現(xiàn)有的壓力、流量和溫度等傳感器多氣動系統(tǒng)的噪聲較大,因此氣動設(shè)備與控制室需為有線連接傳輸和控制?，F(xiàn)有無線技術(shù)中ZigBee具要保持- -定距離,甚至有墻壁隔離，因此對無線信號的有組網(wǎng)能力,可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)傳輸并不受傳輸距離的限可中繼傳輸提出要求。對于無線設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò),只制。該研究以ZigBee芯片CC2430為基礎(chǔ),研制了具有具備“路由模式”,才能實(shí)現(xiàn)多級中繼傳輸,突破傳有信號采集控制、雙向通信的通用無線傳輸模塊參見輸距離的限制。在大型工廠里,很多臺氣動設(shè)備同時(shí)圖1a,所研制的通用無線模塊具有多路I/O端口,可工作,大量傳感器和控制器同時(shí)傳輸數(shù)據(jù),對無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線檢測與控制,非常方便的將無線傳輸模傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)充性也會提出要求。塊集成在現(xiàn)有產(chǎn)品上進(jìn)行應(yīng)用;圖lb為帶有通用無線大多數(shù)工廠環(huán)境下電力供應(yīng)充足便利,因此對無傳輸模塊自中國煤化工0 L/min, 量程比線設(shè)備采用電池供電暫無強(qiáng)烈要求。隨著環(huán)保節(jié)能的1: 100;圖1YHCNMHG大量程1MPa,測要求不斷提高以及電池續(xù)航能力不斷增強(qiáng),在不久的量精度 0. 1% FS;無線流量計(jì)和無線壓力傳感器均可.2014年第11期液壓與氣動5Wi-Fi不以低功耗見長，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí), Wi-Fi的制器的產(chǎn)品形態(tài)組成無線網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用在氣動技術(shù)生產(chǎn)功耗約為ZigBee的10倍,而且Wi-Fi沒有休眠和喚醒實(shí)時(shí)控制上的前景將是非常廣闊的。機(jī)制,這導(dǎo)致Wi-Fi是當(dāng)前智能手機(jī)的主要耗電量之參考文獻(xiàn):一。但對于工業(yè)氣動技術(shù)應(yīng)用環(huán)境來說，數(shù)據(jù)傳輸?shù)腫1] ShahinF arahani. ZigBee Wireless Networks and Transceivers功耗是可以忽略的,因此Wi-Fi功耗高的缺點(diǎn)顯得并[M]. USA:Newnes, Pap/Com ,2008.不突出。經(jīng)實(shí)測,在信號強(qiáng)度RSSI為- 50 dbm時(shí),[2] Robin Heydon. Bluetooth Low Energy: The Developer 'sWi-Fi的平均數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時(shí)間約為8 ms, 滿足工業(yè)Handbook[ M]. USA:Prentice Hall ,2012.氣動環(huán)境對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的一般要求。對于節(jié)點(diǎn)數(shù)較大[3] John Ross. The Book of Wireless: A Painless Guide to Wi-規(guī)模的氣動工業(yè)應(yīng)用環(huán)境,目前WLAN無線技術(shù)是理Fi and Broadband Wireless[ M]. USA :No Starch Press ,2008.想之選。4] Nordie 公司. nRF2401A Datasheet, nRF905 Datasheet[Z].2003.3結(jié)論本研究針對氣動技術(shù)應(yīng)用中的傳感元器件和控制[5] 李新明,湯榮銘,郝鵬飛,許宏慶.氣動系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集與控制研究[J].液壓與氣動,2005, (5):1-4.元件，研制了通用無線傳輸模塊,并成功應(yīng)用于無線傳[6] 黃濤,多缸無線化氣動伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[ D].輸和控制的氣動技術(shù)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了具有多節(jié)點(diǎn)及長成都:成都電子科技大學(xué),2011.距離中繼組網(wǎng)能力的“無線PLC"控制技術(shù);研制了利7]翟志敏,楊平,魏薇.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣缸用氣動系統(tǒng)排氣為低功耗無線元件供電的小型發(fā)電裝位置檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012,(2):66 -68.置;利用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣動管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力監(jiān)測及8] 盧文輝.基于狀態(tài)檢測元件的氣動無線遠(yuǎn)程故障快速定氣體泄漏檢測定位。對比分析了現(xiàn)有無線通信技術(shù)的位技術(shù)的研究[J].機(jī)床與液壓,2012 ,40(9) :161 - 163.傳輸速率響應(yīng)時(shí)間和組網(wǎng)能力,為無線技術(shù)在氣動技9]創(chuàng)米科技公司.安裝后的無線氣動溫控器開始與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信[Z] . 2013. 8. htp:/www. hzchuangmi.術(shù)中的進(jìn)- -步應(yīng)用提供參考。com/ anzhuanghou-wuxian-tongxin. html.目前無線技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛,[10]付嬈,劉湘如 ,周哲,等.基于無線遙控的重型卡車氣動人們也越來越認(rèn)同和享受無線技術(shù)的優(yōu)越性。隨著無剎車裝置:中國,CN201310311396.7[P].2013 -12 -11.線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展,無線產(chǎn)品的小型化,以及[11] 毛芹,郝鵬飛,何楓,等射流微振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的多樣化,將為無線技術(shù)在流動監(jiān)測與究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2013, 27(1): 1-5.控制中的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。在不遠(yuǎn)的將來,無線技[12] 毛芹,王濤,郝鵬飛,等.基于PVDF壓電片發(fā)電的特性術(shù)將以越來越多、越來越成熟可靠的無線傳感器和控研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012 ,32(11);1140 - 144.廣告刊戶索引北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司....封面徐州車氏密封有限公司.... 廣9九江七所精密機(jī)電科技有限公司封二中山茂凱工業(yè)有限公司廣10寧波星箭航天機(jī)械有限公司廣1德州市天元液壓機(jī)具有限公司廣11新鄉(xiāng)市平菲液壓有限公司廣2蕪湖市銀鴻液壓件有限公司........廣12南京訊聯(lián)液壓件有限公司阿托斯液壓產(chǎn)品(.上海)有限公司...黎明液壓有限公司...廣4國家液壓元件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心廣14黎明液壓有限公司.廣5《液壓與氣動》編輯部............ 廣15頗爾過濾器(北京)有限公司.廣6 深圳市特力得流體系統(tǒng)有限公司..... 廣16寧波索諾工業(yè)自控設(shè)備有限公司廣7北京四達(dá)合道液壓姑術(shù)有限公封三上海敏泰液壓股份有限公司廣8北京機(jī)械工業(yè)中國煤化工封底YH| CNMHG