梁小曉，樂英高

(1.四川理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000;2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

基于ZigBee和以太網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)研究*

梁小曉1，樂英高2

(1.四川理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 自貢 643000;2.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

文章提出將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee和以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來構(gòu)成新的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床高效化和自動化。利用SmartRF Packet Sniffer軟件偵測ZigBee組網(wǎng)過程，數(shù)據(jù)包傳輸過程，運(yùn)用LabVIEW軟件制作了一個機(jī)床無線通信系統(tǒng)平臺界面，并在監(jiān)控中心上位機(jī)進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠自動組網(wǎng)、能夠準(zhǔn)確無延遲的發(fā)送數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)控機(jī)床工作狀態(tài)。

數(shù)控機(jī)床;ZigBee技術(shù);通信系統(tǒng);以太網(wǎng)

0 引言

數(shù)控技術(shù)是運(yùn)用數(shù)字化信息技術(shù)手段對機(jī)床機(jī)械的運(yùn)動方式及工作狀態(tài)進(jìn)行控制的技術(shù)，它集合了傳統(tǒng)的機(jī)械制造、自動控制、集散控制、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)監(jiān)測控制等技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、加工精度高、操作高度自動化等優(yōu)點(diǎn)，對數(shù)控機(jī)床等機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)集成管理化、智能化、無人操作全自動化有著非常重要的作用。數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工自動化的基礎(chǔ)，是國家實(shí)現(xiàn)機(jī)械現(xiàn)代化、工業(yè)自動化的不可或缺的技術(shù)，關(guān)系到我們國家在機(jī)械行業(yè)的戰(zhàn)略地位，是國家綜合國力和競爭力的重要體現(xiàn)［1-2］。

數(shù)控機(jī)床與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信主要有程序的發(fā)送/接收、系統(tǒng)狀態(tài)的采集以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控三種功能，提高機(jī)床工作效率。機(jī)床通信接口發(fā)展經(jīng)歷四個階段:紙帶打孔機(jī)階段、軟盤保存、RS-232串口通信、網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)通信階段［3-4］。本課題研究設(shè)計(jì)的基于ZigBee和以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)，涉及到兩種關(guān)鍵技術(shù):ZigBee無線通信組網(wǎng)技術(shù)和以太網(wǎng)局域網(wǎng)技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的有線機(jī)床通信系統(tǒng)，研究基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程無線通信監(jiān)控系統(tǒng)的意義也是顯而易見［5］。主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個方面:

(1)CNC加工程序的輸入/輸出，實(shí)現(xiàn)CNC加工程序的海量存儲、統(tǒng)一管理;

(2)組網(wǎng)靈活。機(jī)床組網(wǎng)可以自由組成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且沒有線纜的限制，可以容易地從點(diǎn)對點(diǎn)的工作模式擴(kuò)展到多用戶的基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

(3)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，機(jī)床加工程序的遠(yuǎn)程傳輸、設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)以及機(jī)床無人化操作，大大提高了機(jī)床生產(chǎn)效率和避免了由于操作人員操作不當(dāng)造成對機(jī)床的損壞。

(4)數(shù)控機(jī)床采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)系統(tǒng)具有使用成本低，便于施工與維護(hù)，車間投資少收效多，減少了諸多管理等優(yōu)點(diǎn)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee

ZigBee技術(shù)為滿足近距離、低速率、低成本、低復(fù)雜度等需求而研發(fā)的新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［6］。ZigBee技術(shù)是建立在 IEEE802.15.4國際無線通信標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的，為了實(shí)現(xiàn)和滿足人們對小范圍低功耗和低成本的無線上網(wǎng)要求，IEEE802.15.4專門研發(fā)和制定的個人無線標(biāo)準(zhǔn)WPAN。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)容量很大，它可以最大支持65000個子節(jié)點(diǎn)組成的新的巨大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般的兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間無阻隔傳輸通信距離為70米，通過加強(qiáng)發(fā)射功率可以擴(kuò)展到幾百米。

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中有兩種功能設(shè)備，三種類型節(jié)點(diǎn)以及三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)有三種設(shè)備類型功能節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星形拓?fù)洹⒋疇钔負(fù)?Cluster)、網(wǎng)狀拓?fù)?MESH)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖1。

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

2 以太網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣使用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，IEEE在制定IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也定義了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了以太網(wǎng)物理層硬件設(shè)備之間的連線、電信號選擇和媒體介質(zhì)訪問層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［7］。使用以太網(wǎng)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互連，最大化的減少數(shù)據(jù)傳輸中的競爭沖突、最大程度提高以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度以及使用效率，以太網(wǎng)一般采用總線型以及星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)技術(shù)傳輸協(xié)議采取通用的TCP/IP通信協(xié)議，與ZigBee無線通信協(xié)議相比，TCP/IP通信協(xié)議比較復(fù)雜，根據(jù)數(shù)控機(jī)床無線通信組網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的需要對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行裁剪和優(yōu)化使開發(fā)成本較低，占用不了多少系統(tǒng)資源，機(jī)床組網(wǎng)靈活，完全滿足數(shù)控機(jī)床無線通信的要求。

3 數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于ZigBee-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)、他們之間數(shù)據(jù)幀格式變換和ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)。在數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)中，關(guān)鍵無線通信技術(shù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采取串狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)建起來相當(dāng)比較簡單，需要系統(tǒng)資源也相當(dāng)比較少，該ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能機(jī)制，有效地?cái)U(kuò)展了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。數(shù)控機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

構(gòu)建的數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)，不但使數(shù)控機(jī)床組網(wǎng)靈活，并且數(shù)控機(jī)床沒有電源或通信線纜的限制，可以很容易地從點(diǎn)對點(diǎn)模式傳輸方式擴(kuò)展到上千用戶的串狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。另外機(jī)床加工工件需要頻繁移動和變化的動態(tài)環(huán)境中，機(jī)床節(jié)點(diǎn)同樣安裝容易，方便設(shè)備維護(hù)。機(jī)床無線通信系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對機(jī)床設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和無人化操作、機(jī)床加工程序遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程診斷以及遠(yuǎn)程維修服務(wù)、技術(shù)支持服務(wù)等，大大提高了機(jī)床加工生產(chǎn)效率。

4 數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床無線通信系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)框圖如下圖3所示。

圖3 ZigBee—以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

它以 MSP430F149單片機(jī)和ZigBee射頻芯片CC2430為核心，其中，MSP430F149芯片為控制核心，CC2430為發(fā)送/接收機(jī)床數(shù)據(jù)包核心，配備了無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和以太網(wǎng)控制器，并增加了大容量存儲功能的SRAM等基本的系統(tǒng)外圍設(shè)備。捎盟MCU模式設(shè)計(jì)，其中MSP430F149單片機(jī)為主控制芯片，CC2430為輔助作用，支持主控制器的功能。

機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ZigBee路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)差不多，不一一介紹。機(jī)床終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，以提高它的抗干擾能力。它主要由電源模塊組成、ZigBee無線收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)信號狀態(tài)指示燈、RS-232串口通信電路、JTAG接口等電路模塊組成。RS-232串口通信電路與機(jī)床的串口相連，發(fā)送機(jī)床數(shù)據(jù)包由機(jī)床MCU控制器決定。數(shù)控機(jī)床終端節(jié)點(diǎn)的電源由數(shù)控機(jī)床通過串口電路供電。

5 數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床無線通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由三個關(guān)鍵模塊組成:

ZigBee Z-stack協(xié)議棧無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)機(jī)床通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器建網(wǎng)組網(wǎng)模塊功能、以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精簡和裁剪TCP/IP協(xié)議的功能模塊以及ZigBee報(bào)文數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)報(bào)文數(shù)據(jù)幀格式模塊。在機(jī)床無線通信系統(tǒng)中，機(jī)床發(fā)送數(shù)據(jù)包經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的采集機(jī)床信息終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備、信息中轉(zhuǎn)路由器設(shè)備以及機(jī)床無線通信網(wǎng)絡(luò)建立協(xié)調(diào)器設(shè)備，之后經(jīng)過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)控機(jī)床監(jiān)控中心。整個機(jī)床無線通信協(xié)議的層次體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)床通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)分層協(xié)議模型

6 系統(tǒng)測試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在機(jī)床無線通信中，主要通過測試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包個數(shù)為參照。ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)起者協(xié)調(diào)器、信息中轉(zhuǎn)路由節(jié)點(diǎn)、數(shù)控機(jī)床終端節(jié)點(diǎn)程序下載完成后，上電初始化后就可以組網(wǎng)了，我們用串口調(diào)試助手可以觀看到ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)備新建的網(wǎng)絡(luò)物理地址和ID號、PAN參數(shù)信息以及路由節(jié)點(diǎn)、機(jī)床終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是否成功等信息。除了能在串口和ZigBee開發(fā)部自帶的顯示器看到ZigBee組網(wǎng)過程外，還能通過SmartRF Packet Sniffer軟件偵聽它們發(fā)送的數(shù)據(jù)包。SmartRF Packet Sniffer偵聽數(shù)據(jù)包情況如下圖5所示。

虛擬儀器技術(shù)是新興的仿真技術(shù)，它能夠模仿各類工具、元器件、各種設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)在線仿真與測試，大大地減少了項(xiàng)目開發(fā)成本［8，9］。LabVIEW軟件利用高性能可靠性高的模塊式設(shè)計(jì)，并結(jié)合靈活方便高效易于二次開發(fā)的應(yīng)用軟件完成各種各樣測試仿真及其自動化控制應(yīng)用領(lǐng)域［10］。采用虛擬技術(shù)LabVIEW軟件模仿數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)顯示數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)、組網(wǎng)狀態(tài)以及機(jī)床加工程序傳輸過程。具體界面如圖6和圖7所示。

圖5 Packet Sniffer偵測的ZigBee數(shù)據(jù)包

圖6 數(shù)控機(jī)床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)程序傳送界面

圖7 數(shù)控機(jī)床無線通信監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)床監(jiān)控界面

具體工作流程:點(diǎn)擊程序傳送設(shè)置按鈕后就會進(jìn)入設(shè)置界面，系統(tǒng)就打開串口，接收以太網(wǎng)上協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下傳的機(jī)床工作程序信息，經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)數(shù)控機(jī)床，機(jī)床響應(yīng)信息，開始按下傳程序開始工作，經(jīng)過LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解析實(shí)時(shí)顯示機(jī)床組網(wǎng)狀態(tài)，發(fā)送/接收機(jī)床程序運(yùn)行狀態(tài)等信息，按下關(guān)閉系統(tǒng)按鈕則系統(tǒng)自動關(guān)閉串口，停止在線實(shí)時(shí)查看功能。

7 結(jié)束語

本文把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床通信系統(tǒng)中去，數(shù)控機(jī)床通信系統(tǒng)基本上可以達(dá)到動態(tài)調(diào)試和監(jiān)控機(jī)床，為數(shù)控機(jī)床監(jiān)控、調(diào)試、精密加工提供了有效的手段。由于機(jī)床工作環(huán)境存在設(shè)備眾多，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，所以系統(tǒng)抗干擾問題還待下一步解決。隨著無線通信技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，相信機(jī)床通信系統(tǒng)會實(shí)現(xiàn)無線化、高效化和信息化，從而提高機(jī)床工作效率，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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(編輯 李秀敏)

Research on Comm unication System o f NC Machine Tool Base on ZigBee and Ethernet

LIANG Xiao-xiao1，YUE Ying-gao2
(1.School of Computer Science，Sichuan University of Science ＆ Engineering，Zigong 643000，China;2.School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

This article proposed that and the Ethernet w ired network unifies ZigBee w ireless sensor networking ZigBee constitutes the new numerically-controlled machine tool network service system，realizes the numerically-controlled machine tool highly effective and the automation.Software detects the ZigBee network process using SmartRF Packet the Sniffer，the data packet transmission process，hasmanufactured an engine bed w ireless communication system platform contact surface using the LabVIEW software，and has carried on the simulation in themonitoring center superiormachine.The experimental result indicates the system to be able the automatic network，to be able the accurate non-detention transm ission data，and in superiormachine contact surface real time display numerically-controlled machine tool active status.

NC machine tool;ZigBee technology;communication system;ethernet

TH165;TN92

A

1001－2265(2013)03－0053－03

2012－10－30;

2012－12－05

四川理工學(xué)院科研基金項(xiàng)目資助成果(2011KY05)

梁小曉(1978—)，女，四川自貢人，四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究，(E－mail)littlesmx@126.com。