基于ZigBee協(xié)議的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

趙淳臣 王亞剛 王 凱

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引言

某項目對一種新型的無線網(wǎng)關(guān)提出了如下要求:易組網(wǎng)、低功耗、低成本等。所以該項目最終采用ZigBee作為該傳感系統(tǒng)的無線通信協(xié)議。主控制器運用了Freescale S08，體積小、性能穩(wěn)定。無線網(wǎng)關(guān)和上位機的通信則采用了Modbus協(xié)議。該協(xié)議簡單、運用廣、通信穩(wěn)定，可以快捷地連接上層監(jiān)控軟件或者PLC，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

文中給出了無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，并最后通過原型機的可靠運行測試，達到了預先要求的各項指標［1］。

1 設(shè)計綜述

系統(tǒng)設(shè)計整體上由四部分組成:上位機(PLC)、無線網(wǎng)關(guān)、無線傳感器和空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示。要實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，首先要解決的問題是網(wǎng)絡(luò)的建立。MCU通過對EM250(協(xié)議棧封裝芯片)的控制來建立傳感網(wǎng)絡(luò)。此外，由于ZigBee協(xié)議支持Mesh網(wǎng)絡(luò)，因此該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)和節(jié)點入網(wǎng)時均具有一定的智能性［1］。

圖1 室內(nèi)溫濕度閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.1 The closed-loop control system for indoor temperature and humidity

無線網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，有兩種處理方式:一是通過MCU內(nèi)部程序規(guī)定，對傳感器做一些參數(shù)設(shè)定或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;二是將數(shù)據(jù)包封裝成Modbus包，并傳送給上位機或者PLC。

上位機采用組態(tài)王編寫的人機界面讀取參數(shù)，而PLC可以直接控制如空調(diào)、智能門窗等大型設(shè)備，實現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度或者燈光的調(diào)控。

2 硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，MCU采用的是Freescale S08系列單片機。該單片機具有出色的低功耗性能和完備的休眠功能，足以應付產(chǎn)品對數(shù)據(jù)處理的要求。EM250是一款用來封裝ZigBee協(xié)議的芯片，由MCU對其進行數(shù)據(jù)讀寫和命令控制。SKY65336_11是一款2.5 GHz無線功率放大器，用于無線傳感器發(fā)送和接收無線數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)關(guān)需要連接上位機或者PLC。Freescale公司專門為無線低功耗設(shè)備設(shè)計了一款單片機MC9S08QE32RM，其具備完備的休眠功能和極低的功耗。考慮到本項目的實際應用，本文選用了8位單片機，降低了產(chǎn)品成本。

為了增大網(wǎng)關(guān)和節(jié)點之間的通信距離，在發(fā)射端又加入了一片功率放大芯片SKY65336_11。經(jīng)測試，該功率放大芯片的放大功率效果明顯，最大通信距離可達到1500 m［2］。此外，需要將 MCU通過 RS-232/485串口與上位機進行通信。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計架構(gòu)Fig.2 Design architecture of gateway hardware

3 軟件設(shè)計

項目軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集處理、Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、上位機讀取三部分組成。網(wǎng)關(guān)軟件有五種工作模式，即發(fā)送模式、睡眠模式、接收模式、命令模式和空模式。總體分兩大模式，即第一部分是工作模式，采取時鐘掃描的方式向上位機傳遞數(shù)據(jù)，采用中斷的方法接收無線終端發(fā)過來的數(shù)據(jù);第二部分是休眠模式，采用內(nèi)部休眠機制，以減少系統(tǒng)的整體功耗［3］。無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 無線網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計框圖Fig.3 Software design of the wireless gateway

3.1 Freescale S08 部分

網(wǎng)關(guān)軟件程序由主控器運行。程序分為兩部分:中斷程序和掃描程序。中斷程序用來接收節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，而掃描程序則接收組態(tài)軟件或者PLC發(fā)來的命令。

在掃描程序中，系統(tǒng)收到的命令分兩種:一種是采集數(shù)據(jù)命令，即系統(tǒng)采集無線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，打包成Modbus進行發(fā)送，并在上位機上顯示;另一種是設(shè)置命令，即用X-CTU(ZigBee協(xié)議軟件)對MCU進行基本的設(shè)計，如禁止節(jié)點加入、傳輸波特率等［4］。

3.2 Mesh 網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)無線協(xié)議。該技術(shù)廣泛應用于工業(yè)檢測以及民用無線領(lǐng)域，智能家居系統(tǒng)就是ZigBee的一個典型應用［5］。

本項目中，廠商對這套系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)形成提出了如下要求:網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、組網(wǎng)速度快、節(jié)點可隨意加入或離開。這幾個特點決定該系統(tǒng)必須采用Mesh網(wǎng)絡(luò)，且須采用ZigBee協(xié)議，以很好地支持Mesh網(wǎng)絡(luò)。Mesh網(wǎng)絡(luò)形成原理圖如圖4所示。

圖4 Mesh網(wǎng)絡(luò)形成原理圖Fig.4 Forming principle of the Mesh network

協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān))進行信道能量檢測及掃描，選擇合適的信道;節(jié)點上電后通知協(xié)調(diào)器，并發(fā)出入網(wǎng)申請;協(xié)調(diào)器收到申請后為其分配PANId號以及網(wǎng)絡(luò)地址。這樣一個節(jié)點就成功加入到了該協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)絡(luò)中。在大規(guī)模組網(wǎng)時，涉及到路由的選擇，ZigBee協(xié)議最多可支持7跳網(wǎng)絡(luò)［6］。

3.3 Modbus協(xié)議部分

Modbus是可編程控制器之間運用最為廣泛的通信協(xié)議之一，它也可與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進行通信，支撐的網(wǎng)絡(luò)有Modicon的Modbus和Modbus+工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議定義了控制器能識別和使用的信息結(jié)構(gòu)。當在Modbus網(wǎng)絡(luò)上進行通信時，協(xié)議能使每一臺控制器知道它本身的地址、識別對它尋址的數(shù)據(jù)、決定應起作用的類型，并取出包含在信息中的數(shù)據(jù)和資料?？刂破饕部梢越M織回答信息，并使用Modbus協(xié)議將此消息傳送出去。Modbus協(xié)議的工作原理如圖5所示。

圖5 Modbus協(xié)議工作原理圖Fig.5 Working principle of Modbus protocol

在本項目中，Modbus運用在無線網(wǎng)關(guān)和上位機以及PLC之間的通信上。由于運用的廣泛性和數(shù)據(jù)傳送的可靠性，在產(chǎn)品測試過程中，Modbus協(xié)議在上位機顯示或者PLC數(shù)據(jù)讀取方面，均取得了滿意的結(jié)果［7］。

3.4 組態(tài)王部分

系統(tǒng)采用組態(tài)王作為上層數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件。作為監(jiān)控軟件，組態(tài)王操作簡單、功能強大，同時可以對硬件進行控制。組態(tài)王可以實現(xiàn)軟件模擬硬件設(shè)備的工作情況。在該項目中，將采集到的4個無線溫濕度傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)顯示在上位機上，同時用曲線記錄下每個節(jié)點的溫度變化，并對特殊事件(報警)進行文檔記錄。同時，它可以很容易地將幾大功能模塊做成一張拓撲圖，動態(tài)顯示其網(wǎng)路連接情況、數(shù)據(jù)發(fā)送情況以及對底層硬件的簡單控制。組態(tài)王功能完善、實用性強，在很多大型公司都有使用。

4 低功耗技術(shù)

由于項目強調(diào)系統(tǒng)的低功耗性能，即在兩節(jié)干電池供電的情況下，要保證節(jié)點工作10個月、網(wǎng)關(guān)工作5個月，因此，系統(tǒng)采用軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗［8］。

從圖3所示的軟件流程可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)大部分時間都工作在等待狀態(tài)。因此，考慮使系統(tǒng)在等待狀態(tài)下停止工作進入休眠，實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗要求。系統(tǒng)利用單片機的休眠模式，使所有 MCU的時鐘包括振蕩器本身都停止工作，時鐘模塊、電壓調(diào)節(jié)器和ADC處于待命狀態(tài);所有內(nèi)部寄存器和邏輯，包括 RAM的內(nèi)容都被保持，電流維持在非常低的水平，實現(xiàn)了系統(tǒng)低功耗要求。低功耗控制程序框圖如圖6所示。

從圖6可以看出，在等待中斷時，系統(tǒng)已進入休眠狀態(tài)，工作電流降到250 μA。當有數(shù)據(jù)出現(xiàn)時，程序會以中斷的形式通知CPU，使喚醒系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞。由于整個數(shù)據(jù)處理過程非?？欤恍枰?50 ms左右，因此，整個系統(tǒng)的節(jié)能性好。經(jīng)試驗檢測表明，在網(wǎng)關(guān)缺少24 V供電的情況下，僅憑2節(jié)干電池可以工作5個月，而節(jié)電模式下可以工作一年甚至更多［9］。

圖6 低功耗控制程序框圖Fig.6 Block diagram of low power consumption control program

5 結(jié)束語

整套測試系統(tǒng)由1個網(wǎng)關(guān)(銀白色鐵盒)、4個節(jié)點(白色塑料)組成;網(wǎng)關(guān)由24 V電源供電，節(jié)點由兩節(jié)干電池供電。經(jīng)實驗室多次測試，系統(tǒng)組網(wǎng)快捷方便、運行期間網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳送可靠，節(jié)點工作時間長達一年，完全符合廠商提出的要求。

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