ZigBee無線傳感網(wǎng)絡在電解槽監(jiān)測中的應用研究

熊 琰，李秦偉

(貴州大學 計算機科學與信息學院，貴州 貴陽550025)

槽電壓和槽溫度是鋁電解生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，這兩種參數(shù)監(jiān)測水平的高低對生產(chǎn)有著舉足輕重的意義。了解整個電解槽中各點的溫度、電壓、電流的分布監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究人員了解電解槽的工作情況以及工程師改進電解槽的設計都有著指導作用。由于電解槽監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)需要大量的傳感設備和通信設備，使用有線通信網(wǎng)絡會產(chǎn)生布線復雜，維護不便等問題，造成工業(yè)現(xiàn)場布線的混亂。因此，借助無線通信對現(xiàn)場槽況進行實時的監(jiān)測和分析，無疑是很有價值的。開發(fā)低成本、低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為迫切需求。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡

ZigBee[1]是一種新興的無線傳感器網(wǎng)絡標準，具有低功耗、低復雜度等特點，適用于網(wǎng)點多、體積小、傳輸數(shù)據(jù)量小、功耗低等場合。正是由于ZigBee的這些優(yōu)點，基于ZigBee標準的無線傳感器網(wǎng)絡應用越來越受到重視，已在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、智能建筑等領域占有一席之地。將無線ZigBee技術用于電解槽監(jiān)測系統(tǒng)，能很大程度地提高研究人員和工程師對電解槽槽況的了解，在此基礎上更好地改進電解槽的設計，提高電解生產(chǎn)自動化水平。

1.1 無線傳感器的結構

如圖1所示，無線傳感器的基本結構分為4部分[2]：(1)傳感器模塊，包括傳感器、放大和濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換裝置。傳感器根據(jù)需要采集信息，因為傳感器采集到的信息大部分是模擬量，一般還需要進行放大和濾波處理。為了實現(xiàn)無線傳輸，還需要A/D裝置把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。(2)處理器模塊，負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，是節(jié)點的核心部分。(3)無線通信模塊，負責與其他傳感器節(jié)點間的無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，是整個節(jié)點最耗能的部分。(4)能量供應模塊，為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。

圖1 無線傳感器結構框圖

1.2 ZigBee支持的拓撲結構和設備類型

1個ZigBee子網(wǎng)最多可包括255個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點[3]，其中一個是主控(master)設備，其余則是從屬(slave)設備。若是通過協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡可以支持超過65 000個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點。通過無線傳感器網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，最終送到控制中心。

ZigBee技術可以支持星型、樹型和對等網(wǎng)(Peer to Peer)拓撲結構，如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

圖2中包括兩種不同類型的設備——全功能設備（FFD）和簡化功能設備(RFD)。FFD可以與其他的 FFD或RFD通信，RFD只能與FFD通信，RFD之間不能直接通信。所以，實際運用中的ZigBee網(wǎng)絡至少包含一個全功能設備作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，終端設備一般采用RFD。FFD可以廣播方式的發(fā)布信息給RFD。

2 基于ZigBee的電解槽監(jiān)測系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)研究目標在于設計一個基于ZigBee的電解槽實時數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)電解槽內(nèi)多個點的傳感數(shù)據(jù)的同步更新。監(jiān)測系統(tǒng)利用ZigBee技術組建的無線傳感器網(wǎng)絡來完成電解槽內(nèi)各點的電壓、溫度的測量。各節(jié)點均由傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊和能量供應模塊組成，以完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。終端分別置于電解槽的立柱、母線等需要測量的節(jié)點。傳感器模塊完成對電壓和溫度信號的采集，由數(shù)據(jù)處理和無線發(fā)送部分將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，經(jīng)中心節(jié)點匯集后通過串口輸入到上位機，最后在上位機上實時地顯示電解槽電壓和溫度數(shù)據(jù)并保存。

系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)采用星型結構。在各節(jié)點(RFD)通過溫度和電壓傳感器進行采樣，以ZigBee協(xié)議發(fā)送至匯聚節(jié)點(FFD)，匯聚節(jié)點匯總數(shù)據(jù)傳送至上位機。

圖3 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)對ZigBee模塊的功能要求

系統(tǒng)中的ZigBee中心節(jié)點模塊和終端模塊都具有無線收發(fā)功能[4]，且需要利用LED指示燈來指示網(wǎng)絡工作狀態(tài)。不同的是，ZigBee中心節(jié)點模塊是直接與上位機連接，外圍接口除RS-232、RS-485接口外，還擴展了LCD顯示接口、可編程按鍵等，以滿足簡單信息顯示、網(wǎng)絡狀態(tài)指示等功能。為了滿足上述監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，可以設計出專用的低成本、低時延、低功耗、多功能和高可靠性的ZigBee模塊。圖4為ZigBee模塊的功能框圖。

圖4 基于ZigBee模塊的電解槽監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡部分

整個ZigBee網(wǎng)絡基于Z-Stack協(xié)議棧[5]。無線網(wǎng)絡的開發(fā)平臺是IAR Embedded Workbench 7.51A，開發(fā)語言為C語言。因為ZigBee無線網(wǎng)絡模式為星型網(wǎng)絡，需要在Nwk_globas.h中設置相關參數(shù)：

另外還要設置各個采集節(jié)點的節(jié)點編號來完成網(wǎng)絡的搭建。ZigBee中心模塊在系統(tǒng)中承擔著系統(tǒng)初始化的作用，不僅僅需要把從終端節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，同時還具備控制網(wǎng)絡組建和節(jié)點入網(wǎng)的功能?？刂凭W(wǎng)絡包括控制入網(wǎng)節(jié)點和相應權限。根據(jù)終端節(jié)點提供的信標判斷是否允許其入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡地址。圖5為ZigBee中心模塊工作流程圖。ZigBee終端節(jié)點經(jīng)過初始化掃描信道加入網(wǎng)絡之后,接收被分配的網(wǎng)絡地址，開始定時讀取采集數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送至上位機。

2.3 ZigBee芯片要求

在本設計中，要求芯片在通信容量、通信時延、通信可靠性、能量損耗上都能夠很好地滿足工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求。這里采用一個典型的ZigBee芯片CC2530[6]，CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee標準芯片，可廣泛應用在2.4 GHz IEEE802.15.4系統(tǒng)、RF4CE遙控系統(tǒng)、ZigBee系統(tǒng)、家庭/建筑物自動化、照明系統(tǒng)及工業(yè)控制和監(jiān)視中。該芯片有以下特點：

（1）ZigBee標準 2.4G收發(fā)器， 支持 802.15.4、Zig-Bee2007、ZigBee PRO和 ZigBeeRF4CE標準；

（2）增強型 8051微控制器；

（3）32/64/128/256 KB 內(nèi)存，8 KB RAM；

（4）AES加密協(xié)處理器；

（5）最大輸出功率 10 dBm；

圖5 ZigBee中心模塊工作流程圖

（6）接收靈敏度-97 dBm；

（7）低功耗：0.4 μA。

本系統(tǒng)中的節(jié)點模塊以上述要求中的ZigBee芯片為核心，具有無線收發(fā)功能。其中中心節(jié)點通過RS-485接口與監(jiān)測裝置連接，實現(xiàn)與上位機通信的目的。

隨著目前對無線傳感器網(wǎng)絡的深入研究，基于無線技術的監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)領域越來越受到關注。它不僅可以解決有線帶來的布線麻煩、維護不便等問題，同時還代表著工業(yè)自動化的發(fā)展方向。本設計采用ZigBee無線自組網(wǎng)技術，可以實現(xiàn)同一電解槽內(nèi)多點的數(shù)據(jù)采集。使用較低的投資和使用成本就能實現(xiàn)對電解生產(chǎn)的實時環(huán)境監(jiān)測，具有很高的實用性。

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]屈利華，趙春江，楊信廷，等.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡在溫室多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用綜述[J].中國農(nóng)機化，2012(4)：179-183.

[3]AKYILDIZ I，SUW C.Wireless sesor networks：a survey[J].Computer Networks，2002，38(3)：393-422.

[4]劉玉芳.基于ZigBee技術鋁電解車間多參數(shù)檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學，2010.

[5]何杏宇，張浩，彭道剛.ZigBee技術在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J].機電一體化，2008(7)：34-37.

[6]林健.基于無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集平臺的實際與實現(xiàn)[D].北京：北京林業(yè)大學，2012.