基于無線網(wǎng)的復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

李媛 任俊杰

[摘要]應(yīng)用Zigbee協(xié)議設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用Labview軟件編寫PID控制和模糊控制程序，將無線傳感網(wǎng)與Labview軟件相結(jié)合，設(shè)計了基于無線網(wǎng)的采集和控制

系統(tǒng)，解決了某些現(xiàn)場設(shè)備難以布線、某些移動產(chǎn)品的實時檢測等問題;被應(yīng)用于三容水箱液位的實際控制中，取得了非常好的控制效果。

[關(guān)鍵詞]無線網(wǎng);Labview;Zigbee協(xié)議;三容水箱;控制算法

[中圖分類號]TN 925.93[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A[文章編號]1005-0310（2019）02-0019-05

Abstract： Wireless sensor network using the Zigbee protocol is established. The PID control and fuzzy control program using Labview software is designed. Combing the wireless sensor network with Labview software， we have designed the acquisition and control system based on wireless network. Some problems such as difficulty in wiring and real-time detection of some mobile products are solved. The system has been applied to the actual control of the water level of the three-capacity tank and has achieved a very good control effect.

Keywords： Wireless network; Labview; Zigbee; Three-capacity tank; Control algorithm

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是具備信息采集、信息傳輸與信息處理等功能的綜合系統(tǒng)，目前，被廣泛應(yīng)用于軍事國防、城市交通、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域[1]。隨著無線傳感網(wǎng)硬軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，以無線網(wǎng)為平臺，研究復(fù)雜多變量工業(yè)過程的智能控制系統(tǒng)得到應(yīng)用，在難以布線的生產(chǎn)現(xiàn)場，可以采用無線收發(fā)的形式獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制;也可以將工況實時反饋到手機等移動智能終端，提升生產(chǎn)、制造過程的透明性、敏捷性、容錯性，達(dá)到對生產(chǎn)過程全方位的跟蹤、分析、優(yōu)化和控制，確保生產(chǎn)、制造執(zhí)行過程的高效、健康運行。

三容水箱是較典型的非線性時延對象，也是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，系統(tǒng)的參數(shù)有液位、流量、壓力等，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的多種控制形式。而工業(yè)上許多被控對象都可以被抽象成三容水箱的物理模型，如工業(yè)鍋爐、石油化工等液位控制，因此三容水箱非常具有代表性，它的工業(yè)背景也很強，研究三容水箱的控制系統(tǒng)具有實際意義。本文以三容水箱為被控對象，采用Zigbee協(xié)議搭建無線傳感網(wǎng)，采集、傳輸三容水箱的液位值，用Labview軟件接收數(shù)據(jù)，并采用PID和模糊控制算法實現(xiàn)液位的閉環(huán)控制。通過系統(tǒng)實際調(diào)試和運行，得到了滿意的控制效果，為自動化系統(tǒng)無線傳輸及控制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)被控對象是三容水箱，采用Zigbee模塊組成無線網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，上位機Labview軟件接收三容水箱的液位數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示，并發(fā)出信號以控制水箱執(zhí)行器，實現(xiàn)水箱液位控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中虛線表示無線信號傳輸。

Zigbee模塊根據(jù)所處位置和功能的不同，可以分為終端節(jié)點模塊、路由模塊和協(xié)調(diào)器模塊。Zigbee終端節(jié)點模塊與三容水箱的液位信號連接，并通過無線方式傳遞給路由節(jié)點（根據(jù)實際情況可以有多個），再由路由節(jié)點傳遞給協(xié)調(diào)器，由上位機讀取并處理;控制信號反之，由上位機發(fā)出，通過協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，傳輸給終端節(jié)點，控制進(jìn)水量。

Zigbee模塊尺寸約為6 cm×8 cm，比較小巧，因此網(wǎng)絡(luò)的實際布置及安裝非常簡單方便：終端節(jié)點模塊直接與三容水箱相連，協(xié)調(diào)器模塊直接插在USB口與上位機連接，路由模塊應(yīng)根據(jù)被控對象與控制器之間的距離、環(huán)境因素以及Zigbee模塊的無線發(fā)射功率大小，確定網(wǎng)絡(luò)中需要配置的數(shù)量。這些路由模塊固定于被控對象與控制器之間的某處或物體表面即可，出于降低模塊使用功耗的需求，一般2個Zigbee模塊之間的無線傳輸距離最好小于100 m。

1.1三容水箱

QXLTT三容液位控制實驗裝置是一臺具有多個輸入和多個輸出的非線性耦合被控物理模型。實驗裝置的主體是由用透明的有機玻璃制成的3個圓形容器罐和1個蓄水池，并配以相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)和傳感器組成，包括2個水泵P1和P2、6個手動閥V1～V6、2個PWM（脈寬調(diào)制）型線性比例調(diào)節(jié)閥V7和V8以及2個旁路閥V9、V10，如圖2所示。圖中T1、T2、T3分別表示1#、2#、3#水箱的液位值，由3個反壓式液位傳感器測得。

1.2Zigbee模塊

Zigbee模塊作為無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，與其他同類節(jié)點通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。本文中的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用ZigBee協(xié)議，是IEEE 802.15.4美國電子與電氣工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，具有自組網(wǎng)功能。Zigbee模塊集成有兩個CPU，其中STM32F107芯片用于信號的采集，另一個CC2530芯片用于信號的無線傳輸。

信號采集芯片——STM32F107芯片的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個定時器、2個12位1-Msample/s AD、2個12位DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、2個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS，另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口、兩路CAN2.0B接口以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。

無線發(fā)送芯片——CC2530模塊使用增強型8051內(nèi)核，每個指令周期是一個時鐘，相對于其他通用的8位微控制器來說，它有更加豐富的資源以及更快的速度，主要包含單周期的8051兼容內(nèi)核、8KB的SRAM以及32/64/128/256KB的閃存，兩線調(diào)試接口允許對片上閃存進(jìn)行編程，通過不同的運行模式使之能低功耗運行。

2系統(tǒng)組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸

無線傳感網(wǎng)通常由多個Zigbee模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在同一網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器只能有1個，用于組網(wǎng)、與PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其余Zigbee模塊可以設(shè)置為路由器或終端模塊，用于發(fā)送或接收信息。本文采用4個Zigbee模塊進(jìn)行組網(wǎng)，終端模塊和協(xié)調(diào)器分別與被控對象和上位機相連，其余2個路由模塊按一定的距離置于實驗室的桌上。

2.1網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)置

Zigbee協(xié)議工作于2.4G頻段[2]，共有16個信道，定義為通道11～通道26。本文應(yīng)用4個Zigbee模塊進(jìn)行組網(wǎng)，采用Mesh網(wǎng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用2.4G的通道11作為無線信道，網(wǎng)絡(luò)的PANID取為2111。其中，與PC機通過串口連接的Zigbee模塊是協(xié)調(diào)器，其余3個Zigbee模塊設(shè)置為路由器功能;路由器中與被控對象連接的Zigbee模塊具有采集和無線傳輸功能，其余2個Zigbee模塊只具有傳輸功能。

按照數(shù)據(jù)信號的傳輸方向，將數(shù)據(jù)傳輸定為上行和下行傳輸，即由水箱向PC機的傳輸方向是上行數(shù)據(jù)傳輸;由PC機發(fā)出指令給水箱的執(zhí)行器是下行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所示。

2.2數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送

以上行傳輸為例，數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送過程分為3個階段，下行傳輸原理相同。

2.2.1對水箱液位信號的采集及傳輸

三容水箱的反壓式液位傳感器輸出4～20 mA的電流值，Zigbee模塊中STM32F107芯片采集水箱液位信號，通過DMA方式將采集結(jié)果存放到內(nèi)存中的某一地址單元;然后通過內(nèi)部串口SPI傳至CC2530芯片，CC2530接收到數(shù)據(jù)后無線發(fā)送給路由模塊，程序流程如圖3所示。

2.2.2信號通過路由器無線傳輸

通過Mesh網(wǎng)絡(luò)，采集模塊發(fā)送的信號由路由模塊傳送給協(xié)調(diào)器模塊，程序流程如圖4所示。

2.2.3協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)并通過串口傳輸給PC機

PC端Zigbee模塊是無線網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，接收路由模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器中的CC2530芯片將接收來的數(shù)據(jù)傳給該模塊中的STM32F107芯片，并通過PC機串口將數(shù)據(jù)傳輸給PC機，其程序流程如圖5所示。

2.3PC機串口接收

PC機采用Labview軟件接收協(xié)調(diào)器采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[3]，在Labview環(huán)境下，開發(fā)PID算法和模糊控制算法的前后面板程序，實現(xiàn)液位控制，具體流程如圖6所示。

3系統(tǒng)實施及運行效果

向Zigbee模塊下載相應(yīng)的程序，運行顯示組網(wǎng)成功。將采集模塊與三容水箱連接，協(xié)調(diào)器模塊與PC機連接，運行Labview軟件，控制對象結(jié)構(gòu)如圖2所示，將手動閥V1和V5打開，V2和V4關(guān)閉，使1#水箱與2#水箱連通，形成雙容系統(tǒng);通過控制變頻器改變P1水泵的進(jìn)水量，實現(xiàn)對三容水箱中的2#液位進(jìn)行調(diào)節(jié)。因為進(jìn)水泵是直接給1#水箱進(jìn)水，再通過連通閥V1進(jìn)入2#水箱，因此對2#水箱的液位控制具有時延性。本系統(tǒng)是具有時滯特性的復(fù)雜控制系統(tǒng)。

3.1PID控制

采用PID算法實現(xiàn)液位控制，當(dāng)PID控制輸出為0時，發(fā)送數(shù)據(jù)最小值為3 030，對應(yīng)控制電壓為0 V，表示電磁閥開度是最小;當(dāng)PID控制輸出為100時，發(fā)送數(shù)據(jù)最大為4 646，對應(yīng)控制電壓為5 V，表示電磁閥開度最大。

2#液位給定值為300 mm，系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)不斷采集當(dāng)前液位值，與給定值形成偏差，實現(xiàn)PID控制，使液位的實際值達(dá)到給定值。PID調(diào)節(jié)液位曲線如圖7所示。

3.2模糊控制

模糊控制是對誤差e和誤差變化率ec作為輸入信號[4]，經(jīng)模糊化、模糊控制規(guī)則運算和反模糊化處理之后形成控制信號輸出值，對進(jìn)水閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。模糊控制輸出信號范圍為0～255，即16進(jìn)制的00～FF。其中00表示電磁閥開度為最小的時候，F(xiàn)F表示電磁閥開度為最大的時候，00與FF之間的不同數(shù)據(jù)表示電磁閥開度的大小程度。通過調(diào)節(jié)電磁閥開度，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，實現(xiàn)定制控制。

由圖7和圖8可以看出，PID控制和模糊控制都能夠?qū)崿F(xiàn)對實際系統(tǒng)的有效控制。但模糊控制與PID控制相比，產(chǎn)生的超調(diào)量比較小，調(diào)節(jié)時間比較短，魯棒性會更強[5]。模糊控制可以讓電磁閥更平穩(wěn)有效地工作，同時它還會降低水位的波動所引起的干擾，從而提高控制系統(tǒng)的可靠性。因此，對于具有多變量、大滯后等特點的非線性系統(tǒng)而言，模糊控制更為有效。

4結(jié)語

通過無線傳感網(wǎng)信號傳輸，結(jié)合Labview軟件，可以實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的有效控制;同時，也驗證了在無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，模糊控制算法的控制效果優(yōu)于PID控制方法。因此將無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，用于環(huán)境復(fù)雜、不便于布線的生產(chǎn)現(xiàn)場，可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制，從而降低了工人的勞動強度，改善了操作環(huán)境，減少了資源消耗;該方法還可以應(yīng)用于其他行業(yè)，具有廣泛的推廣價值。

[參考文獻(xiàn)]

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（責(zé)任編輯白麗媛）