ZigBee在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓中的應(yīng)用

陳革維

(深圳職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055)

·實習與實訓·

ZigBee在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓中的應(yīng)用

陳革維

(深圳職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055)

為推進工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實踐教學的建設(shè)，在機電一體化實訓設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于ZigBee無線通信技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓方案。該實訓方案以Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以點對點和點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)為載體，使學生通過典型案例的實驗，掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的基本技能與應(yīng)用技巧，適用于工廠自動化制造與運輸領(lǐng)域。針對培養(yǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才，實訓方案涉及無線通信技術(shù)、單片機技術(shù)、可編程控制器技術(shù)、氣動控制技術(shù)與電氣控制技術(shù)等知識。通過實踐研究，證實該實訓方案使實驗具有更大程度上的拓展性，為學生的進一步創(chuàng)新設(shè)計提供了一個開放的實驗平臺。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)； ZigBee； 無線通信； 實訓

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代工業(yè)工程的先進領(lǐng)域，對我國制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[1]。實踐教學是高等教育的重要教學模式，在工科領(lǐng)域的教學研究開展得尤為深入[2-4]。對高等職業(yè)教育而言，實踐教學尤其重要,是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學的最有效的方式之一。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要監(jiān)控移動的物理對象，無線通信技術(shù)是組建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐。如何將無線通信技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用相結(jié)合，是設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓方案的切入點和關(guān)鍵點。

在新興的無線通信技術(shù)中，ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，適用于傳感及控制領(lǐng)域。作為廣義物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上同樣包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個層次[5]，是由嵌入了電子元件、傳感器以及軟件的物理對象組成的網(wǎng)絡(luò)。由于高等職業(yè)教育側(cè)重于培養(yǎng)工業(yè)生產(chǎn)一線應(yīng)用型技術(shù)人才，故工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓方案應(yīng)當側(cè)重于感知層與網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)建與應(yīng)用。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實踐教學中，可以依托高校已有的機電控制實訓設(shè)備，簡單快捷地設(shè)計各種實訓方案，同時相對其他無線通信模塊，ZigBee模塊具有商業(yè)化程度高，選擇多樣化，成本低廉的優(yōu)勢。

設(shè)計、構(gòu)建與優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)工程的重要任務(wù)。目前國內(nèi)各大高等院校相繼開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)課程，并大力進行課程建設(shè)。但是對于不少高校而言，由于實訓設(shè)備的缺乏與不配套，使課程教學中偏重理論教學，實踐教學過于簡單，學生缺乏對實際應(yīng)用的直觀感受，教學效果難以達到理想的程度。教學實踐和研究表明，在已有實訓設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)新的實訓方案是相對便利可行的途徑[6-8]。通過與理論教學配套設(shè)計的實訓課程訓練，學生才能更容易和有效地掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)的知識要點，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等。目前創(chuàng)新型人才培養(yǎng)得到極大的重視，相關(guān)教學研究得到了推廣[9-11]，為推進工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實踐教學的建設(shè)，本文利用現(xiàn)有的機電控制實訓設(shè)備，開發(fā)基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓方案，并為學生進一步創(chuàng)新設(shè)計提供一個開放的實驗平臺。

1 實訓系統(tǒng)的組成

ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4標準，ZigBee芯片將無線通信功能與微控制器集成為一體。由模塊組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要用于工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)的傳輸，使用簡單方便，工作可靠性較高，適用于自動控制領(lǐng)域。各種ZigBee模塊可以嵌入機電控制設(shè)備中，其信號傳輸范圍通常介于10～100 m之間，信號響應(yīng)速度快，可以實現(xiàn)對運動物體的監(jiān)控。從上述特性可以看出，ZigBee是一種易于與機電設(shè)備相融合的低成本、低功耗的近距離無線通信組網(wǎng)技術(shù)，可應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，因此適合于構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[12-14]。與制造業(yè)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相比，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在自動化制造與智能物料傳輸方面具有更大的柔性[15]。目前國內(nèi)可以購買到不同國家生產(chǎn)的多種ZigBee模塊，實訓方案中選擇的ZM-DEMO模塊如圖1所示。

實訓場景建立在Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該柔性制造系統(tǒng)由10個工作站、1個產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)以及2臺CNC機床等單元組成。產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)包括移動托盤、傳送帶、擋塊等執(zhí)行部件以及光電傳感器等傳感元件，它具有傳輸工件和聯(lián)結(jié)10個工作站的功能；10個工作站包括供料站、檢測站、加工站、自動存取系統(tǒng)等；2臺CNC機床分別為車床和銑床。Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)的控制主要采用現(xiàn)場總線技術(shù)和可編程控制器技術(shù)，與其他相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺相比[16]，在其基礎(chǔ)上應(yīng)用ZigBee技術(shù)設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓方案，可以綜合運用無線通信、單片機、氣動控制與電氣控制技術(shù)，并使學生在實訓過程中涉及到Profibus現(xiàn)場總線、機器人、機械設(shè)計、過程控制等技術(shù)。Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 ZM-DEMO模塊

圖2 Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)

2 實訓方案設(shè)計

從結(jié)構(gòu)上而言，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中作為應(yīng)用基礎(chǔ)的感知層包含傳感器、執(zhí)行器、智能裝置等；網(wǎng)絡(luò)層則包含基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、延伸網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等。在掌握上述知識點的基礎(chǔ)上，實訓方案包括利用ZigBee模塊建立點對點以及點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)等。實現(xiàn)點對點無線信號傳輸是利用無線通信技術(shù)建立工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本技能。

2.1 點對點網(wǎng)絡(luò)

基于ZigBee模塊的點對點硬件網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 點對點網(wǎng)絡(luò)

由于ZigBee的信號傳輸速率定義為250 Kbit/s，它適合于傳感器等裝置之間的無線信號傳輸。ZigBee模塊的低功耗限制了其信號的目視傳輸距離在10～100 m之間，具體取決于信號輸出功率和周邊環(huán)境特征。同時ZigBee模塊也可以通過中間裝置構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來長距離傳輸信號。在掌握上述知識點后，產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)的移動托盤被選擇為實驗對象。

在實驗中，移動托盤的任務(wù)是沿著傳送帶軌道移動并感應(yīng)經(jīng)過的信號點，目標是在最短的時間內(nèi)檢測到最多的信號點以及如何在規(guī)定的時間內(nèi)檢測到所有的信號點。

實驗前，學生需要將ZM-DEMO模塊安裝在移動托盤上，設(shè)置并調(diào)試傳感器。重要工作是設(shè)置兩個ZigBee模塊的無線通訊參數(shù)，測試硬件通信效果。終端節(jié)點的硬件和軟件程序必須由學生進行設(shè)計。

通過實驗，學生應(yīng)當掌握各個部件的功能和知識點，包括傳感器、單片機、ZigBee等。如單片機嵌入在模塊中的方式；移動托盤的運動由傳送帶控制，而傳送帶由可編程控制器控制等。學生還可以利用不同原理的傳感器來檢測信號點。

實驗包括硬件調(diào)試和軟件設(shè)計兩個部分，硬件調(diào)試的主要內(nèi)容是優(yōu)化通信效果，如無線信號的穩(wěn)定性和有效性；軟件設(shè)計的內(nèi)容則是完成任務(wù)目標和盡可能地縮短工作時間。

點對點網(wǎng)絡(luò)實驗的其他實驗對象是工作站，工作站共有10個，其中提取站實驗方案設(shè)計為：任務(wù)之一是檢測工作部件的位置與工作狀態(tài)，如機械手等；另一任務(wù)是控制工作部件的運動。實驗的目的是利用ZigBee模塊實現(xiàn)工作部件的實時監(jiān)控。

實驗前，學生應(yīng)當掌握提取站的工作流程。工作流程①是判定托盤上是否有工件；②如果托盤上有工件，機械手夾取工件并按照線路運動至下一位置；③工件放置于終端，機械手按照線路返回。通過實驗，學生應(yīng)當掌握提取站各個部件的功能和知識點，包括位置傳感器、電磁閥以及氣缸控制原理，如工作部件由氣缸驅(qū)動，氣缸則由電磁閥控制等。實驗同樣包括硬件調(diào)試和軟件設(shè)計兩個部分。

2.2 點對多點網(wǎng)絡(luò)

與點對點網(wǎng)絡(luò)實驗不同，點對多點網(wǎng)絡(luò)實驗強調(diào)不同工作設(shè)備之間的過程平衡。ZigBee技術(shù)支持建立星形網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)，普通的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建都可以利用ZigBee模塊完成。網(wǎng)絡(luò)中必須要有一個起協(xié)調(diào)作用的裝置，在星形網(wǎng)絡(luò)中，該裝置必須為中心節(jié)點?；赯igBee模塊的點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 點對多點網(wǎng)絡(luò)

產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)和產(chǎn)品自動存取系統(tǒng)被選擇為實驗對象，自動存取系統(tǒng)如圖5所示。在實驗中，產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)的任務(wù)是監(jiān)控所有沿著傳送帶軌道移動的托盤的位置和狀態(tài)。實驗的目標是避免移動托盤的相互碰撞，以及在軌道上放置盡可能多的移動托盤。為了在保持移動托盤有序運行的同時，實現(xiàn)縮短產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)總體運行時間的效果，學生應(yīng)當設(shè)計不同的方案并進行優(yōu)化選擇。產(chǎn)品自動存取系統(tǒng)的任務(wù)則是監(jiān)控工件存取架上每一個工件儲存位的狀態(tài)。工件存取架共有5層，工件由機械手自動抓取。如果儲存位已有工件放置，則另一個工件不能放置在相同位置。實驗的目標是避免工件之間的碰撞，以及在存取架上放置盡可能多的工件。為了縮短產(chǎn)品自動存取系統(tǒng)總體運行時間，學生同樣應(yīng)當設(shè)計不同的方案并進行優(yōu)化選擇。

圖5 自動存取系統(tǒng)

與點對點網(wǎng)絡(luò)實驗相比，點對多點網(wǎng)絡(luò)實驗更為復(fù)雜。實驗還可以擴展為工作站之間的協(xié)調(diào)運行，為此學生應(yīng)當設(shè)計工作站之間的硬件接口，并平衡各個工作站的動作流程。作為基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓的強化與補充，學生還應(yīng)當進行基于其他組網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)實驗，如Profibus現(xiàn)場總線等。

3 結(jié) 語

在Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓方案，以點對點及點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)為載體，將無線通信、單片機、氣動控制與電氣控制技術(shù)等知識有機結(jié)合，使學生通過典型案例的實驗，掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的基本技能與應(yīng)用。由于ZigBee芯片將無線通信功能與微控制器集成為一體，ZigBee模塊可以方便地嵌入各種機電控制設(shè)備中，可以充分利用現(xiàn)有的機電控制實訓設(shè)備開展實踐教學，因而實驗更具有拓展性，為學生進一步創(chuàng)新設(shè)計提供了一個開放的實驗平臺。

[1] 胡 錚.物聯(lián)網(wǎng)[M].北京: 科學出版社,2010.14-17.

[2] 孟 濤,劉 忠,陳啟東.機電液綜合設(shè)計與控制試驗的探索[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):173-175.

[3] 馬知遠,朱旭芳.以實踐教學為主線的電子技術(shù)系列課程教學模式[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):213-216.

[4] 呂小艷,文衍宣.地方高校工科學生工程實踐能力培養(yǎng)對策研究[J].實驗室技術(shù)與管理,2016,33(1):13-16.

[5] 楊 光,耿貴寧,都 婧.物聯(lián)網(wǎng)安全威脅與措施[J].清華大學學報,2011,51(10):1335-1340.

[6] 趙 京,衛(wèi) 沅.機器人實驗教學系統(tǒng)創(chuàng)新實踐方法及應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):210-212.

[7] 王龍庭,李增亮.油氣混輸教學實驗臺設(shè)計與計算[J].實驗室技術(shù)與管理,2016,33(2):72-74.

[8] 代顯華,李榮鋼,葛一楠.校企共建工程實踐教育中心的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(4):110-113.

[9] 趙曉丹,吳春華,周 振.構(gòu)建以培養(yǎng)創(chuàng)新型科技人才的實踐教學體系[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):173-175.

[10] 劉興華,王方艷.以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為核心的實驗室開放模式探索[J].實驗室技術(shù)與管理,2016,33(1):9-12.

[11] 管 芳,胡鴻志,郭 慶.面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的實踐教育模式研究[J].實驗室技術(shù)與管理,2016,33(2):17-19.

[12] 鐘永鋒, 劉永俊. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京: 北京郵電大學出版社,2011.

[13] 杜軍朝. ZigBee技術(shù)原理與實戰(zhàn)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2015.

[14] 王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2012.

[15] 陽憲慧.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng): 現(xiàn)場總線技術(shù)[M].北京:清華大學出版社,2009.3-12.

[16] 康守強,王玉靜,王 鵬.基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺設(shè)計[J].實驗室技術(shù)與管理,2016,33(1):72-74.

Application of ZigBee in the Experiment of Industrial Internet of Things

CHENGewei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

In order to promote the practicum teaching of industrial Internet of Things, an experimental scheme based on ZigBee wireless communication technology is designed by utilizing the experimental equipments of mechatronics technology. The scheme organizes the networks of point to point and point to multi-point based on the flexible manufacturing system of Micro FMS50. The students can study the organizing skill and use technique of industrial Internet of Things by the typical experiments which are suitable for automatic manufacture and transport in factory. Aimed to train the technologist for industrial Internet of Things, the experiment scheme involves the knowledge of wireless communication, singlechip, PLC, pneumatic control, electric control and so on. By teaching study, it verifies that the experimental scheme is easy for widening. It provides an experimental field which opens to students for innovative design further.

industrial Internet of Things; ZigBee; wireless communication; experiments

2016-05-09

廣東省高職教育機電類專業(yè)教育教學改革項目(jd201383)

陳革維(1969-)，男，四川綿陽人，博士，副教授，主要研究方向為機電一體化技術(shù)。

Tel.：13715098017，E-mail: xialang@szpt.edu.cn

TP 271；G 642.44

A

1006-7167(2017)04-0221-04