ZigBee 傳感網(wǎng)連接故障診斷及處理

摘要：ZigBee傳感網(wǎng)作為一種低功耗、低成本、覆蓋范圍廣、高可靠性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于需要長期監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場景。然而，連接故障可能會(huì)影響 ZigBee 傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，文章總結(jié)了相關(guān)故障診斷及處理方案，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)評估。

關(guān)鍵詞：ZigBee；工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)；故障診斷；故障處理

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）31-0077-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，ZigBee傳感網(wǎng)憑借其低功耗、低成本等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，ZigBee傳感網(wǎng)的連接故障問題時(shí)有發(fā)生，這不僅會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還會(huì)對數(shù)據(jù)的可靠性、能源管理、智能化發(fā)展等方面產(chǎn)生不利影響。

因此，對 ZigBee 傳感網(wǎng)連接故障進(jìn)行診斷和處理，對于保障系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)可靠性和能源效率至關(guān)重要，同時(shí)也能推動(dòng)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。

1 基于ZigBee 技術(shù)的無線組網(wǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee 技術(shù)概括

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率的無線通信技術(shù)。廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1]。ZigBee 具有低功耗、低成本、短距離、自組織等優(yōu)點(diǎn)，但也存在傳輸速率低、延遲較大等缺點(diǎn)，限制了其在部分需要高速傳輸場景下的應(yīng)用。盡管如此，ZigBee 憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，在未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中仍具有廣闊應(yīng)用前景。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò) typically 由一個(gè)協(xié)調(diào)器、若干路由節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成，它們分別扮演著不同的角色，共同實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的搭建[2]。

1） 協(xié)調(diào)器（Coordinator） ：協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中用于建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng) ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立后，上位機(jī)按照《串口設(shè)備控制協(xié)議》發(fā)送查詢、控制、協(xié)議報(bào)文透傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器的串口 UART0 或 UART1。

2） 路由節(jié)點(diǎn)（Router） ：路由節(jié)點(diǎn)又稱為中繼器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)路由。所有的終端設(shè)備都需要通過協(xié)調(diào)器或者路由節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中。

3） 終端設(shè)備（End-Device） ：又稱為葉子節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備必須通過協(xié)調(diào)器或者路由節(jié)點(diǎn)才能加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中。通常，終端設(shè)備的存儲(chǔ)空間比較小[3]。

1.2 ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee傳感器的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，專用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。系統(tǒng)明確了ZigBee傳感器類型，構(gòu)建了傳感網(wǎng)絡(luò)，并配置了協(xié)調(diào)器與傳感節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)能采集溫濕度及光照度數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過RS485 接口與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與控制指令下達(dá)的雙向通信[4]。同時(shí)，本文分析了ZigBee傳感器常見故障，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測方法。

2 傳感網(wǎng)配置設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 設(shè)備

本項(xiàng)目中采用CC2530芯片并集成了I/O模塊為ZigBee智能節(jié)點(diǎn)盒，ZigBee 智能節(jié)點(diǎn)盒具有 2 路串口通信接口：1路 RS485、1路串口轉(zhuǎn) USB，5路開關(guān)量輸入，5路數(shù)字量輸出，設(shè)備的 ZigBee 信道和 PAN ID 可配置。當(dāng) ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立后，上位機(jī)按照《串口設(shè)備控制協(xié)議》向協(xié)調(diào)器的 UART0或UART1發(fā)送設(shè)備控制指令，可以實(shí)現(xiàn)采集和控制ZigBee智能節(jié)點(diǎn)盒的輸入和輸出接口。

2.2 ZigBee 設(shè)備配置

配置ZigBee智能節(jié)點(diǎn)盒時(shí)，通過串口轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線連接PC 和ZigBee 智能節(jié)點(diǎn)盒內(nèi)部芯片的串口UART0，讀取設(shè)備的設(shè)備類型、PAN ID、信道編號、設(shè)備ID及RS-485 串口配置。在配置時(shí)需保證協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)的PAN ID、通道號保持一致。將ZigBee協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)、溫濕度傳感器、光照度變送器、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及路由器進(jìn)行安裝連接。仿真接線圖如圖1所示。

接線完成后，使用仿真系統(tǒng)對設(shè)備的安裝接線進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)驗(yàn)證無誤后方可進(jìn)行真實(shí)設(shè)備安裝部署。在仿真系統(tǒng)中設(shè)備的外形、接線方式等與真實(shí)設(shè)備略有差異，但不影響仿真驗(yàn)證效果。配置完成后，可在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)或上位機(jī)查詢傳感器數(shù)據(jù)。

3 故障的診斷及處理

3.1 ZigBee 無法運(yùn)行

若ZigBee設(shè)備通電后，電源指示燈未亮起，在檢查ZigBee電源開關(guān)已開啟并電量充足后，一般可判斷為ZigBee 的固件燒寫不正確導(dǎo)致的設(shè)備無法正常運(yùn)行[5]。

處理方案為將ZigBee芯片開發(fā)板通過仿真器連接到電腦上，對仿真器進(jìn)行復(fù)位后，使用SmartRFFlash Programmer 軟件對ZigBee固件進(jìn)行重新燒錄。待燒寫完成后，重新配置及連接ZigBee設(shè)備，檢查設(shè)備是否正常運(yùn)行。故障恢復(fù)時(shí)建議備份固件文件，以便將來需要時(shí)能夠快速恢復(fù)設(shè)備。

3.2 ZigBee 設(shè)備無法通信

當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備的連接指示燈應(yīng)為常亮，表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)；ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)的連接的指示燈應(yīng)為間斷閃爍，表示路由節(jié)點(diǎn)已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。若指示燈不正確，可能原因及處理方法包括以下幾個(gè)方面。

3.2.1 功能鍵開關(guān)未開啟或已退出ZigBee 網(wǎng)絡(luò)

每短按一下功能鍵時(shí)，設(shè)備可在允許入網(wǎng)和關(guān)閉允許入網(wǎng)間切換。允許入網(wǎng)時(shí)，通信指示燈常亮；關(guān)閉允許入網(wǎng)時(shí)，通信指示燈常滅。長按功能鍵3秒時(shí)，通信指示燈開始閃爍，此時(shí)釋放功能鍵，對于路由設(shè)備，將退出ZigBee網(wǎng)絡(luò)；對于協(xié)調(diào)器設(shè)備，將重新建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

處理方案為重新短按功能鍵，在通信指示燈閃爍后檢查是否能夠成功入網(wǎng)。如果問題持續(xù)存在，可以嘗試將設(shè)備重置到出廠設(shè)置，然后重新進(jìn)行配置和入網(wǎng)操作。但請注意，重置前務(wù)必備份重要數(shù)據(jù)。

3.2.2 ZigBee 協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點(diǎn)配置不正確

配置協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，需保證協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)的PAN ID、通道號保持一致、設(shè)備ID不重復(fù)。當(dāng)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)配置的地址重復(fù)時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器只能獲取到其中一個(gè)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)。一般這種情況的上位機(jī)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為在同一個(gè)ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)中，只能獲取到某一部分的傳感器數(shù)據(jù)，部分傳感器數(shù)據(jù)無法獲取。

處理方案為重新檢查ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的地址配置信息，保證不同ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的地址不一樣。在修改配置后，務(wù)必進(jìn)行全面的測試驗(yàn)證，包括檢查傳感器數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，以確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常。

3.2.3 傳感器的設(shè)備地址未獲取

此類問題并非是ZigBee設(shè)備的問題導(dǎo)致的，但問題表現(xiàn)也是無法獲取到傳感器數(shù)據(jù)，容易被誤導(dǎo)為ZigBee設(shè)備的故障。

處理方案為通過串口調(diào)試助手查詢和修改傳感器地址，將傳感器設(shè)備地址與上位機(jī)地址設(shè)置相匹配，避免上位機(jī)無法獲取傳感器設(shè)備地址。

3.2.4 電池電量低

使用電池供電的ZigBee設(shè)備可能因電池電量低而導(dǎo)致無法正常通信。

處理方案為檢查設(shè)備的電池電量是否充足，如果電量過低，建議更換電池、充電或直接連接充電線使用。同時(shí)，需確保設(shè)備的電源管理設(shè)置正確，以延長電池壽命。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不足

ZigBee網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)的覆蓋范圍一般為10～30米，若設(shè)備間的距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致設(shè)備無法正常通信。

處理方案為檢查網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是否足夠覆蓋所有設(shè)備。如果覆蓋范圍不足，需要增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或調(diào)整設(shè)備的擺放位置以擴(kuò)大覆蓋范圍。同時(shí)，確保設(shè)備的發(fā)射功率設(shè)置正確以增強(qiáng)信號強(qiáng)度。

3.2.6 信號干擾

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信號可能受到干擾，導(dǎo)致設(shè)備無法正常通信。

處理方案為使用專業(yè)的測試工具或軟件來評估ZigBee網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前覆蓋范圍，確定是否存在盲區(qū)或信號弱區(qū)。如果覆蓋范圍不足，考慮增加ZigBee路由器或中繼設(shè)備來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。這些設(shè)備可以轉(zhuǎn)發(fā)信號，從而增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。同時(shí)檢查并排除可能干擾ZigBee信號的無線設(shè)備或電子設(shè)備，如Wi-Fi路由器、微波爐等。這些設(shè)備可能會(huì)干擾ZigBee信號的傳輸。

3.2.7 信道干擾

ZigBee在2.4G的頻段上具有11～26共計(jì)16個(gè)信道，當(dāng)ZigBee組網(wǎng)時(shí)，要求ZigBee協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)需保持為相同信道，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但在無線傳輸中，多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信道可能重合產(chǎn)生信道干擾從而影響ZigBee通信效果，如在中國Wi-Fi常用的信道為1、6、11，其中11信道可能與ZigBee網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生信道干擾從而影響數(shù)據(jù)傳輸[6]。

處理方案為重新配置ZigBee協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)的信道，建議選擇15、20、25、26號信道，或使用無線信道分析儀設(shè)備分析信道占用情況后選擇空閑信道，以減少干擾。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)用于無線數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)監(jiān)控，歸納了常見故障及處理方法，并提出新策略解決運(yùn)行與通信難題。實(shí)驗(yàn)揭示了組網(wǎng)中設(shè)備故障的共性，為同類傳感設(shè)備提供了有效解決方案，加速故障排查，提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。此故障診斷與處理方案為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣泛故障診斷奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】

基金項(xiàng)目：2023 年度廣東省普通高校重點(diǎn)科研平臺(tái)項(xiàng)目“具身智能物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人研究應(yīng)用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”（2023KCXTD066）