郭 杰，雷 剛，施 蕓，王 濤

GUO Jie, LEI Gang, SHI Yun, WANG Tao

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

0 引言

大型制造業(yè)企業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備和各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)對于各種氣體的消耗量較大。例如焊接環(huán)節(jié)的氧氣、乙炔等可燃?xì)怏w，以及氬氣、氦氣等保護氣體。如果使用每個工段獨立供氣的方式，對于廠區(qū)建設(shè)和設(shè)備維護都會提出很大的挑戰(zhàn)。為此，現(xiàn)代的很多大型工廠使用集中供氣模式，集中建設(shè)一個獨立的供氣站，通過預(yù)埋的供氣管網(wǎng)為各個工段進行集中供氣。但在集中供氣的設(shè)計中，為保證供氣站和各個供氣點的安全，必需建立一套與之配套的集中供氣監(jiān)測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)通常使用有線通信方式，網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜，升級改造成本較高。另一種方式是采用無線公共網(wǎng)絡(luò)，如GPRS等方式實現(xiàn)，該方式速度快、數(shù)據(jù)流量大、網(wǎng)絡(luò)可靠、傳輸距離大等優(yōu)點。但在運行的過程中需要長期花費不菲的網(wǎng)絡(luò)通信費用，對于長期使用的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)來說，顯得不夠經(jīng)濟。對此，使用基于ZigBee技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可以很好的解決供氣站監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計問題。

1 工業(yè)無線技術(shù)簡介

在工業(yè)領(lǐng)域中，具備相關(guān)技術(shù)規(guī)范，且影響巨大有相關(guān)設(shè)備應(yīng)用的主要包含四種無線技術(shù)，分別是ZigBee技術(shù)、無線HART、SP100和WIAPA技術(shù)。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是由ZigBee Alliance于2004 年正式推出的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.15.4規(guī)范，在此基礎(chǔ)上定義了標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全層，支持應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的安全操作。同時，通過行規(guī)

(Profile)的形式，對各種可能的應(yīng)用進行了標(biāo)準(zhǔn)化。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)近年來也根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行了多次修改，目前主要有三個版本，即ZigBee2004版、ZigBee2006 版和ZigBee PRO版。前期的兩個版本主要適用于家庭自動化、無線抄表等領(lǐng)域。ZigBee PRO為其最新的版本，主要針對在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了修改，增加高級功能和更高靈活性的ZigBee PRO框架堆棧，其增強特別體現(xiàn)在易用性和對大型網(wǎng)絡(luò)的支持方面，增加了網(wǎng)絡(luò)可伸縮性、分解片段（分解較長消息和實現(xiàn)與其它協(xié)議和系統(tǒng)交互的能力）、頻率捷變和自動設(shè)備尋址管理能力。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示（圖中黑色節(jié)點代表網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，白色節(jié)點代表路由器和終端）。

1.2 無線HART技術(shù)

2004年HART通信基金會宣布開始制定無線HART協(xié)議，2007年無線HART的規(guī)范和通信協(xié)議協(xié)議通過。HART技術(shù)的主要參與者有：Emerson、ABB、Siemens、Dust Networks等， 根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，已經(jīng)有超過3000萬臺（套）設(shè)備使用了該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但對于普通用戶，HART沒有商用版本的開發(fā)套件，也沒有商用版本的協(xié)議?？捎?，開發(fā)難度大，開發(fā)周期長。

1.3 SP100技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

SP100 是一個覆蓋整個工業(yè)自動化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，由美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會提出。SP100與無線HART技術(shù)特點類似，也是采用無線網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,物理層和數(shù)據(jù)鏈路層通過與IEEE 802.15.4 兼容的直接序列序擴頻DSSS 和跳頻擴頻技術(shù)FHSS 進行數(shù)據(jù)傳送。

1.4 WIA-PA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是我國提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)現(xiàn)場無線標(biāo)準(zhǔn)。物理層同樣常用與IEEE 802.15.4 兼容的信號傳輸方式。在國內(nèi)已經(jīng)有成功的應(yīng)用案例，具有一定的發(fā)展前景。

2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)中，每個客戶端均通過一條與AP(Access Point)相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，形成一個局部的BSS(Basic Service Set)。用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信?？梢越鉀Q由于某一個AP流量過大而導(dǎo)致?lián)砣膯栴}，數(shù)據(jù)可以自動重新進行規(guī)劃，而通過流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際擁塞情況進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的多跳訪問，實現(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

對于Mesh網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可以采用前文所述的四種方法。無線HART技術(shù)具有廣泛應(yīng)用，成熟產(chǎn)品多。但是由于無線HART技術(shù)受到幾家大公司的技術(shù)壟斷，開發(fā)性差，對于普通用戶開發(fā)難度較大，成本高、開發(fā)周期長。SP100和WINPA技術(shù)處于起步階段，相關(guān)資源相對較少，開發(fā)難度較大。相對而言，ZigBee技術(shù)開放性強，自從2004年技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)公布以來，在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，相關(guān)開發(fā)工具、開發(fā)套件較多。采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)，對于降低開發(fā)成本，節(jié)約開發(fā)周期具有較大的優(yōu)勢。

基于以上因素，在供氣站監(jiān)測系統(tǒng)項目的Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中采用ZigBee無線技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、ZigBee路由器、各種監(jiān)測點（ZigBee終端節(jié)點）組成，構(gòu)成一個基于ZigBee無線技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)。各種監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee終端節(jié)點和路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，到達ZigBee網(wǎng)關(guān)，ZigBee網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為MODBUS格式的數(shù)據(jù)包，供總線上的顯示和處理結(jié)點使用。

在該系統(tǒng)中使用的網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心部分，需要完成以下功能：

1）承擔(dān)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，完成網(wǎng)絡(luò)的組建，路由表的生成、節(jié)點地址的分配、網(wǎng)絡(luò)的管理和協(xié)調(diào)等工作。

2）需要將從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、路由器得到的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MODBUS格式的數(shù)據(jù)包，供總線上的顯示和處理結(jié)點使用。

3）接收總線上接收的控制命令，完成相應(yīng)的工作。

圖3 ZigBee路由器和監(jiān)測節(jié)點電路圖

2.2 ZigBee路由器和監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

ZigBee路由器和監(jiān)測節(jié)點使用相同的電路結(jié)構(gòu)，均采用CC2530進行電路設(shè)計，如圖3所示。

CC2530是TI 公司推出的 ZigBee/IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級芯片，采用0.18μm CMOS工藝，工作電流損耗為27mA。具備休眠模式與主動模式超短時間轉(zhuǎn)換響應(yīng)特性，降低系統(tǒng)功耗，提高電池的使用時間。

CC2530集成了一個高性能的 RF 收發(fā)器和一個優(yōu)化的低功耗的 8051微控制器內(nèi)核，8KB的RAM，32/64/128/256KB可選閃存，以及其他強大的支持功能和外設(shè)，允許芯片無線下載，支持系統(tǒng)編程；同時，其自帶2.4GHz高性能 RF 收發(fā)器，需要用戶外接的主要包括32MHZ主時鐘、32K副時鐘、射頻天線輸出和用戶自定義的串行通信接口，基于以上特性使CC2530成為一個典型的SOC系統(tǒng)，簡化了電路結(jié)構(gòu)，減輕使用者的硬件開發(fā)成本和周期。其次，該芯片還具有集成開發(fā)環(huán)境、完善的開發(fā)工具包。該芯片開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

在該系統(tǒng)中路由器需要完成以下功能：

1）由于ZigBee模塊的功率限制，通常傳輸距離小于100米，需要通過在各個廠區(qū)布置的路由器進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和中繼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳輸。

2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的部分路由器功能丟失時，可以通過附近的路由器進行數(shù)據(jù)傳遞，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

對于工廠供氣過程中，使用廠區(qū)的主要檢測對象為：氣體的壓力和溫度，以及節(jié)點供電電池電量狀態(tài)。在實際應(yīng)用中使用相對應(yīng)的壓力和溫度檢測傳感器將其轉(zhuǎn)換為模擬變化的電壓信號，然后使用CC2530內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到對用的壓力和溫度數(shù)據(jù)。

圖3中圍繞核心器件CC2530構(gòu)成ZigBee路由器和監(jiān)測節(jié)點電路結(jié)構(gòu)。在實際工作過程中，CC2530周期巡檢溫度、壓力和電池電壓數(shù)據(jù)，并通過ZigBee向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該節(jié)點的測量結(jié)果，實現(xiàn)無線監(jiān)測目的。

為便于工作人員的監(jiān)測，利用P1.1-P1.5構(gòu)成的通信接口J1連接一個串行的液晶顯示模塊和3個獨立式按鍵K1-K3。利用按鍵顯示模塊，可以實時的觀察本節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的狀態(tài)。使用時，當(dāng)需要在LCD上顯示數(shù)據(jù)時，通過按鍵K1激活顯示模塊，通過按鍵K2和K3選擇需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)選項，監(jiān)測完成后，可以通過K1關(guān)閉顯示模塊，達到節(jié)能的目的。

對于各監(jiān)測節(jié)點和路由器節(jié)點，由于使用電池供電，對于節(jié)能的管理必需嚴(yán)格，在節(jié)點的控制策略中必須嚴(yán)格控制CPU的工作狀態(tài)，盡量使CPU處于睡眠狀態(tài)。同時在節(jié)點預(yù)留充電接口和太陽能電池板輸出接口，對于戶外安裝的節(jié)點，可以采用太陽能電池板供電，對于室內(nèi)安裝的節(jié)點，使用直流充電器對電池充電。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

1）網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)在上電后，根據(jù)環(huán)境情況，進行網(wǎng)絡(luò)Mesh網(wǎng)絡(luò)的組建。具體流程如圖4所示：應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建源語請求，網(wǎng)路層收到請求后，向MAC層發(fā)送頻率偵測請求和信道上設(shè)備掃描，經(jīng)過MAC層的處理，MAC層反饋網(wǎng)絡(luò)層確認(rèn)信息和參數(shù)信息。網(wǎng)絡(luò)層通過MAC層的反饋參數(shù)，建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，并選擇一個PAN標(biāo)識符，網(wǎng)絡(luò)層選定PAN標(biāo)識后，以0X00作為自己的網(wǎng)絡(luò)地址，最后向MAC層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)運行源語，經(jīng)過MAC層的確認(rèn)后，網(wǎng)絡(luò)開始運行，一個新的網(wǎng)絡(luò)建立成功。

圖4 網(wǎng)絡(luò)建立流程圖

圖5 節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)流程圖

2）節(jié)點的動態(tài)入網(wǎng)

在網(wǎng)絡(luò)建立后，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié)點，系統(tǒng)中的其余路由器和監(jiān)測節(jié)點需要進入Mesh網(wǎng)絡(luò)，成為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計，采用的Zigbee模塊有效接收距離為100米以內(nèi)，所以在此范圍內(nèi)的節(jié)點（路由器和監(jiān)測節(jié)點）可以直接和協(xié)調(diào)器連接，成為第一層子節(jié)點。具體流程如圖5所示，首先節(jié)點的應(yīng)用層發(fā)出網(wǎng)絡(luò)掃描命令，網(wǎng)絡(luò)層通過MAC層進行在設(shè)定頻率點上的信號監(jiān)測，MAC層通過分析返回頻率點上的情況，網(wǎng)絡(luò)層給出頻點上的網(wǎng)絡(luò)列表；其次應(yīng)用層選擇網(wǎng)絡(luò)加入，網(wǎng)絡(luò)層通過MAC層發(fā)出請求信號，協(xié)調(diào)器MAC層接收到來之節(jié)點的請求信號，返回給協(xié)調(diào)器；最后協(xié)調(diào)器分配給節(jié)點16位ID地址，通過MAC層輸出相應(yīng)信息，子節(jié)點收到信息后，以分配的16位數(shù)據(jù)地址作為自己的ID號，節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)過程結(jié)束。

在第一層子節(jié)點完成網(wǎng)絡(luò)的接入后，系統(tǒng)中其余未加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以通過已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)，以此類推，網(wǎng)絡(luò)中的其余節(jié)點依次加入網(wǎng)絡(luò)中。

3）監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

對于監(jiān)測節(jié)點的監(jiān)測信息，采用定時發(fā)送方式。各監(jiān)測節(jié)點每5分鐘巡檢一次，監(jiān)測數(shù)據(jù)包含壓力、溫度信息以及節(jié)點的電池電量信息，為保證節(jié)點的電量，其余時間節(jié)點處于休眠狀態(tài)。對于節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的MSG幀格式進行打包處理，MSG幀中包含數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)構(gòu)成，根據(jù)系統(tǒng)的需要數(shù)據(jù)中包含采集數(shù)據(jù)、采集時間、腳本和數(shù)據(jù)請求四種數(shù)據(jù)。在實際傳輸過程中，各節(jié)點通過相鄰的節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞出去，最終到達網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器。通過網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)拆分和處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS格式的數(shù)據(jù)包，供總線上的顯示和處理結(jié)點使用。

3 結(jié)束語

對于工廠供氣監(jiān)測系統(tǒng)，由于廠區(qū)的分散性，使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的Mesh網(wǎng)絡(luò)很適合實際需要。在實際應(yīng)用中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有可靠性和穩(wěn)定性較高的特點，同時抗干擾能力較強，對于工業(yè)應(yīng)用較為適合。該方式在輸氣、輸油管網(wǎng)的監(jiān)測中，可以廣泛的應(yīng)用。

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