基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)

劉玉超

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因具有自我修復(fù)、易維護(hù)、成本低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在信息傳輸領(lǐng)域，尤其在SCS系統(tǒng)中的應(yīng)用，可明顯提高系統(tǒng)性能。本文從硬件及軟件兩方面對(duì)基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行探討，為自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能的順利實(shí)現(xiàn)提供參考。

【關(guān)鍵詞】ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 自動(dòng)化控制 系統(tǒng) 研究

Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)、和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?。在工業(yè)控制、智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療護(hù)理、家庭自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域有著充分的應(yīng)用和廣闊的前景。

基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)無(wú)論硬件還是軟件涉及很多模塊，其中發(fā)射模塊與接收模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，注重對(duì)其進(jìn)行研究，對(duì)更好的實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)化控制具有重要意義。

1 基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件研究

1.1 發(fā)射模塊硬件

系統(tǒng)發(fā)射模塊負(fù)責(zé)將傳感器傳輸?shù)?～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電磁波，而后進(jìn)行發(fā)射。發(fā)射模塊包括I/V變換電路、零點(diǎn)遷移電路、單片機(jī)等，其中I/V變換電路用于實(shí)現(xiàn)將4～20mA電流信號(hào)向1～5V標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)變；零點(diǎn)遷移電路對(duì)1～5V標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)遷移處理，形成0～4V的電壓，以防止A/D轉(zhuǎn)換器資源的浪費(fèi)；單片機(jī)一方面借助I/O對(duì)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，另一方面，借助SPI接口和下位機(jī)射頻芯片進(jìn)行通訊。

本文探討的I/V為無(wú)源I/V變換，功能主要借助無(wú)源器件電阻實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，進(jìn)行輸出限幅及濾波處理等。當(dāng)輸入信號(hào)電流為0～10mA范圍時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電路中精密電阻阻值，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。同樣道理將4～20mA輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V輸出。零點(diǎn)遷移電路目的在于實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的零點(diǎn)調(diào)整，電路圖如圖1所示。

單片機(jī)擁有很多系統(tǒng)功能，不僅使得其工作性能得以明顯提高，而且減少元件應(yīng)用數(shù)目，節(jié)約系統(tǒng)及電路面積成本。如增強(qiáng)型UART具備自動(dòng)地址檢測(cè)、幀錯(cuò)誤檢測(cè)、間隔檢測(cè)等多種功能；選擇片擁有的高精度RC振蕩器并不需要外接振蕩器，而且可靈活調(diào)節(jié)工作頻率。

1.2 接收模塊硬件

基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的接收模塊，由V/I轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)及射頻芯片構(gòu)成。其中V/I轉(zhuǎn)化器是電路的重要元件，以AD694轉(zhuǎn)換器為例，電壓輸入范圍有0～2V、0～10V之分，輸出電流范圍包括4～20mA、0～20mA，輸出程控電流時(shí)可與電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器配合使用，兼具超限報(bào)警、開(kāi)路功能。另外，受輸入、輸出范圍影響具備的引腳接線有所區(qū)別；D/A轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的SPI接口相連，如TLV5617轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的SCK、MOSI相連。另外，為獲得較好的電磁兼容性能，應(yīng)特別注意繪制良好的PCB，尤其應(yīng)注重以下內(nèi)容：首先，在參考印制線路板電流大小影響的基礎(chǔ)上，為減小環(huán)路電阻，應(yīng)將電源線寬度適當(dāng)加粗，并保證地線、電源線走向和數(shù)據(jù)傳輸方向相同，以提高其抗噪性能。其次，各集成電路芯片電源輸入腳增加適當(dāng)大小的濾波電容，并和芯片管腳相靠近。最后，考慮到晶振是高頻器件，其他信號(hào)線應(yīng)與其保持足夠距離。另外，為減小寄生耦合需相互斜交、垂直焊接面與元件面。

2 基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件研究

基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，除需硬件支撐外，還需有完善的軟件系統(tǒng)支持。

2.1 發(fā)射模塊軟件

發(fā)射模塊的軟件程序包括初始化程序、寄存器配置程序、發(fā)射端程序等。其中初始化程序包括單片機(jī)I/O口的配置、SPI寄存器初始化、看門狗的關(guān)閉等。單片機(jī)I/O口模式有配置寄存器決定，除三個(gè)特殊的I/O管腳，以管腳為單位，可使用軟件對(duì)其他管腳的輸出類型進(jìn)行配置。輸出類型包括僅為輸入、開(kāi)漏輸出、推挽、準(zhǔn)雙向口四種類型；SPI寄存器包括主模式、從模式兩種模式，具有寫沖突、傳輸完成標(biāo)志保護(hù)功能。以LPC935SPI為例，其包括SS、MISO、MOSI、SPICLK四個(gè)管腳，以及SPDAT數(shù)據(jù)寄存器、SPSTAT狀態(tài)寄存器、SPCTL控制寄存器，配置代碼為：MOV SPCTL，#0DCH；看門狗定時(shí)器借助系統(tǒng)可通過(guò)上電復(fù)位，實(shí)現(xiàn)其從錯(cuò)誤代碼操作中的恢復(fù)：配置代碼為：

MOV A，WDCON

CLR ACC.2

MOV WDCON，A

射頻芯片借助SPI兼容接口進(jìn)行配置，該接口具備讀與寫緩存數(shù)據(jù)功能的雙重功能。SPI接口對(duì)數(shù)據(jù)與地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，CSn腳應(yīng)處于低電平狀態(tài)，否則取消轉(zhuǎn)換。當(dāng)CSn變低時(shí)，頭字節(jié)開(kāi)始轉(zhuǎn)換前，MCU需等待至SO腳變低，即，電壓調(diào)節(jié)器已處于穩(wěn)定狀態(tài)，晶體處于正常運(yùn)作中。當(dāng)對(duì)寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，每當(dāng)待寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)絊I腳時(shí)，狀態(tài)字節(jié)會(huì)被傳送至SO腳。另外，為提高連續(xù)地質(zhì)寄存器的訪問(wèn)效率，應(yīng)注重在地址頭部設(shè)置突發(fā)位。不過(guò)，不管是讀訪問(wèn)還是寫訪問(wèn)，其終止均應(yīng)溝通過(guò)設(shè)置CSn為高實(shí)現(xiàn)。寄存器由命令濾波、狀態(tài)寄存器、配置寄存器之分，但對(duì)寄存器進(jìn)行配置時(shí)應(yīng)先將射頻芯片開(kāi)啟。以CC1100為例，部分開(kāi)啟程序?yàn)椋?/p>

POWER_UP_RESET_CC1100：

SETB P2.4

CLR P2.4

SETB P2.4

MOV R1，#05H

...

RESET_CC1100：CLR P2.4

MOV SPDAT，#030H

SETB P2.4

RET

無(wú)線發(fā)射模塊電能有電池提供，為實(shí)現(xiàn)其使用壽命的進(jìn)一步延長(zhǎng)，應(yīng)使系統(tǒng)工作時(shí)間盡可能減少，即，非工作時(shí)應(yīng)處于睡眠狀態(tài)。同時(shí)，考慮到自動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)變化不夠迅速，可考慮定間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。發(fā)射端主程序流程如圖2所示。

2.2 接收模塊軟件

射頻芯片具備可選的在特定可控時(shí)間之后，實(shí)現(xiàn)接受自動(dòng)終止功能，即射頻芯片并非總是處于接收模式等待數(shù)據(jù)，而是從休眠狀態(tài)周期性激活，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的偵測(cè)。如LPC935休眠時(shí)被射頻芯片激活。當(dāng)射頻芯片成功對(duì)數(shù)據(jù)包同步詞匯進(jìn)行偵測(cè)時(shí)，便將外部中斷信號(hào)發(fā)送給LPC935。LPC935對(duì)中斷信號(hào)做出相應(yīng)后，對(duì)Receive（）函數(shù)加以調(diào)用，當(dāng)數(shù)據(jù)被被接收，地址無(wú)誤后，將應(yīng)答包發(fā)射給發(fā)射端，表明已經(jīng)成功接收到數(shù)據(jù)。當(dāng)接收端完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)后，并進(jìn)行休眠狀態(tài)，直到下次數(shù)據(jù)信號(hào)到來(lái)才被激活。

3 結(jié)論

Zigbee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，研究基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)zigbee技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，但因涉及的專業(yè)知識(shí)較多，為保證整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，應(yīng)結(jié)合具體的功能要求做好硬件、軟件的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究得出以下結(jié)論：

（1）硬件是ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此，結(jié)合具體需求選擇性能優(yōu)良的硬件，發(fā)射模塊應(yīng)注重微控制器、射頻芯片以及I/V變換電路、零點(diǎn)遷移電路的合理設(shè)計(jì)。接收模塊硬件設(shè)計(jì)時(shí)尤其應(yīng)將重點(diǎn)放在D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器的選擇上，結(jié)合系統(tǒng)要求選擇合適信號(hào)。

（2）軟件在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，發(fā)射模塊軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重程序初始化、射頻芯片初始化的的設(shè)計(jì)。接收模塊軟件應(yīng)從整體上進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 云南省昆明市 650051