ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用探討

趙孟石

[摘 要]工業(yè)控制是指使用計算機技術(shù)，微電子技術(shù)，電氣手段，使工廠的生產(chǎn)和制造過程更加自動化、效率化、精確化，并具有可控性及可視性。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，對監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求越來越高，有線控制網(wǎng)絡(luò)的局限性也越來越突出。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。本研究主要介紹了ZigBee的網(wǎng)絡(luò)模型，并探討了ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]ZigBee 工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)模型

中圖分類號：TU1.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）04-0246-01

前言：隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和信息管理技術(shù)的不斷進步，工業(yè)控制系統(tǒng)逐步由集中走向分散。網(wǎng)絡(luò)化、開放化、智能化和集成化成為了工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的方向。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標準的短距離無線通信技術(shù)，其中物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式?？梢郧度敫鞣N設(shè)備，非常適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域。

1.ZigBee技術(shù)介紹

1.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標準。在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)一般用層來描述它的各個簡化標準，ZigBee協(xié)議符合七層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由物理層（PHY）、介質(zhì)訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）組成。在IEEE802.15.4定義的物理層和子層協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)上，繼續(xù)定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，在應(yīng)用層中規(guī)范了應(yīng)用支持子層和設(shè)備對象。每一層負責完成所規(guī)定的相應(yīng)任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。根據(jù)IEEE802.15.4標準協(xié)議，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)目不同，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz頻段上分為16個信道。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255 個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。其中物理層和介質(zhì)訪問控制層主要采用IEEE802.15.4協(xié)議標準，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線技術(shù)的協(xié)議標準，由ZigBee聯(lián)盟制定。

1.2 ZigBee節(jié)點模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；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)和其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其它節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。由于ZigBee節(jié)點模塊要與電器儀表等現(xiàn)場設(shè)備一起使用或者單獨使用，并且使用電池供電，所以要求ZigBee節(jié)點模塊體積小、低功耗和高可靠性。ZigBee節(jié)點硬件模塊主要由微控制器、無線射頻收發(fā)模塊、串口接口、調(diào)試模塊、液晶模塊和電源模塊組成。微控制器主要用于控制無線射頻收發(fā)模塊，處理射頻信號，控制和協(xié)調(diào)各個器件的工作。我們可以在傳感器終端加裝不同的傳感器來實現(xiàn)對所需數(shù)據(jù)的監(jiān)控，從而發(fā)揮ZigBee平臺的作用。中心數(shù)據(jù)管理終端由中心節(jié)點和PC機組成，二者之間可以通過 RS232 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。平臺采用了Microchip公司提供的開放協(xié)議棧，通過設(shè)計修改其應(yīng)用層代碼來實現(xiàn)所需的功能。通常，ZigBee 節(jié)點的IEEE64 位地址是由用戶自己定義的， 它們被寫在節(jié)點的 EEPROM 中。而每個終端節(jié)點入網(wǎng)后，中心節(jié)點會分配給它一個16位網(wǎng)絡(luò)短地址。對于初次使用的終端節(jié)點，可以經(jīng)過與中心節(jié)點綁定過程從而讓終端節(jié)點的地址信息出現(xiàn)在中心節(jié)點的綁定表中，使數(shù)據(jù)的收發(fā)更加穩(wěn)定。

2.ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 ZigBee在工廠消防監(jiān)控中的應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的提高。裝修裝飾逐步高檔化，電器設(shè)備的增多，高層及超高層建筑的增加以及商場超市等群眾聚集場所規(guī)模的迅速擴大，消防安全的重要性越來越突出。而今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來越多的新型建筑采用了智能消防系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分成兩部分：無線煙感器終端（多個）和中心數(shù)據(jù)管理終端。無線煙感器終端是檢測發(fā)送煙霧數(shù)據(jù)的集成設(shè)備，它在檢測到一定濃度的煙霧后在本地報警，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給管理終端。ZigBee噴淋和報警控制器內(nèi)置基于CC2530的ZigBee終端節(jié)點，它能通過無線信道接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器下發(fā)的指令，解析后執(zhí)行噴淋器、報警器的控制，并可根據(jù)需要采集噴淋器、報警器的運行狀態(tài)上報協(xié)調(diào)器。CC2530的P0.0口是采集煙霧傳感探頭輸出信號的I/O口，當CC2530檢測到P0.0為低電平時，說明有火情發(fā)生；反之，說明無火情。

2.2 ZigBee和CAN總線技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，對現(xiàn)場無線化的需求也進一步加大，所以使用CAN總線技術(shù)和ZigBee技術(shù)的結(jié)合，運用到一定范圍內(nèi)的工業(yè)控制現(xiàn)場，是一個很好的方式。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息；CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求；CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)；CAN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN總線是兩線結(jié)構(gòu) ，即為差分形式的物理結(jié)構(gòu)。也就是說，CAN總線上使用“顯性”（邏輯0）和“隱性”（邏輯1）兩個互補值來表達邏輯。CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率5kbit/s以下），通信速率最高可達1Mbit/s（此時通信距離最長為40m）；CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纜，選擇靈活。網(wǎng)關(guān)主要由CAN收發(fā)器、CAN控制器、ZigBee模塊以及負責協(xié)議轉(zhuǎn)換的控制器組成。CAN 節(jié)點沒有固定的站點地址，即沒有主從節(jié)點之分，可以有多個主機。節(jié)點發(fā)送的幀消息根據(jù)仲裁域賦予的優(yōu)先級對總線進行競爭，即當有多條幀消息同時出現(xiàn)在總線上時，發(fā)送低優(yōu)先級幀消息的節(jié)點主動退出總線競爭，具有最高優(yōu)先級的幀消息繼續(xù)傳輸，這樣節(jié)省了總線沖突的仲裁時間，即使網(wǎng)絡(luò)負載很重也不會癱瘓。由于CAN總線與ZigBee通訊的傳輸速率和傳輸方式不盡相同，所以為保證兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?，也為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般使用譬如高速SPI等高速協(xié)議作為轉(zhuǎn)換控制器。

結(jié)語：

基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)測系統(tǒng)方案實現(xiàn)成本低， 低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長，這是ZigBee 的突出優(yōu)勢。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10） ，降低了對通信控制器的要求。而且，ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成 65000 個節(jié)點的大網(wǎng)，具有大容量的特點。因此可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，而且擴展性強，對系統(tǒng)進行改進后可實現(xiàn)能源監(jiān)控，工業(yè)自動化管理等，具有很強的實用價值。

參考文獻：

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