熊 琰，李秦偉

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽550025)

槽電壓和槽溫度是鋁電解生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，這兩種參數(shù)監(jiān)測水平的高低對生產(chǎn)有著舉足輕重的意義。了解整個電解槽中各點(diǎn)的溫度、電壓、電流的分布監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究人員了解電解槽的工作情況以及工程師改進(jìn)電解槽的設(shè)計(jì)都有著指導(dǎo)作用。由于電解槽監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要大量的傳感設(shè)備和通信設(shè)備，使用有線通信網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生布線復(fù)雜，維護(hù)不便等問題，造成工業(yè)現(xiàn)場布線的混亂。因此，借助無線通信對現(xiàn)場槽況進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和分析，無疑是很有價值的。開發(fā)低成本、低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為迫切需求。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee[1]是一種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、低復(fù)雜度等特點(diǎn)，適用于網(wǎng)點(diǎn)多、體積小、傳輸數(shù)據(jù)量小、功耗低等場合。正是由于ZigBee的這些優(yōu)點(diǎn)，基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越受到重視，已在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、智能建筑等領(lǐng)域占有一席之地。將無線ZigBee技術(shù)用于電解槽監(jiān)測系統(tǒng)，能很大程度地提高研究人員和工程師對電解槽槽況的了解，在此基礎(chǔ)上更好地改進(jìn)電解槽的設(shè)計(jì)，提高電解生產(chǎn)自動化水平。

1.1 無線傳感器的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，無線傳感器的基本結(jié)構(gòu)分為4部分[2]：(1)傳感器模塊，包括傳感器、放大和濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換裝置。傳感器根據(jù)需要采集信息，因?yàn)閭鞲衅鞑杉降男畔⒋蟛糠质悄M量，一般還需要進(jìn)行放大和濾波處理。為了實(shí)現(xiàn)無線傳輸，還需要A/D裝置把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。(2)處理器模塊，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，是節(jié)點(diǎn)的核心部分。(3)無線通信模塊，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)間的無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，是整個節(jié)點(diǎn)最耗能的部分。(4)能量供應(yīng)模塊，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。

圖1 無線傳感器結(jié)構(gòu)框圖

1.2 ZigBee支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備類型

1個ZigBee子網(wǎng)最多可包括255個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[3]，其中一個是主控(master)設(shè)備，其余則是從屬(slave)設(shè)備。若是通過協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡(luò)可以支持超過65 000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)從一個節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，最終送到控制中心。

ZigBee技術(shù)可以支持星型、樹型和對等網(wǎng)(Peer to Peer)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2中包括兩種不同類型的設(shè)備——全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備(RFD)。FFD可以與其他的 FFD或RFD通信，RFD只能與FFD通信，RFD之間不能直接通信。所以，實(shí)際運(yùn)用中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少包含一個全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，終端設(shè)備一般采用RFD。FFD可以廣播方式的發(fā)布信息給RFD。

2 基于ZigBee的電解槽監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)研究目標(biāo)在于設(shè)計(jì)一個基于ZigBee的電解槽實(shí)時數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電解槽內(nèi)多個點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)的同步更新。監(jiān)測系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成電解槽內(nèi)各點(diǎn)的電壓、溫度的測量。各節(jié)點(diǎn)均由傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，以完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。終端分別置于電解槽的立柱、母線等需要測量的節(jié)點(diǎn)。傳感器模塊完成對電壓和溫度信號的采集，由數(shù)據(jù)處理和無線發(fā)送部分將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)匯集后通過串口輸入到上位機(jī)，最后在上位機(jī)上實(shí)時地顯示電解槽電壓和溫度數(shù)據(jù)并保存。

系統(tǒng)組成如圖3所示。系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)。在各節(jié)點(diǎn)(RFD)通過溫度和電壓傳感器進(jìn)行采樣，以ZigBee協(xié)議發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)(FFD)，匯聚節(jié)點(diǎn)匯總數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

圖3 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)對ZigBee模塊的功能要求

系統(tǒng)中的ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊和終端模塊都具有無線收發(fā)功能[4]，且需要利用LED指示燈來指示網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)。不同的是，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊是直接與上位機(jī)連接，外圍接口除RS-232、RS-485接口外，還擴(kuò)展了LCD顯示接口、可編程按鍵等，以滿足簡單信息顯示、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示等功能。為了滿足上述監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，可以設(shè)計(jì)出專用的低成本、低時延、低功耗、多功能和高可靠性的ZigBee模塊。圖4為ZigBee模塊的功能框圖。

圖4 基于ZigBee模塊的電解槽監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)部分

整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack協(xié)議棧[5]。無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)平臺是IAR Embedded Workbench 7.51A，開發(fā)語言為C語言。因?yàn)閆igBee無線網(wǎng)絡(luò)模式為星型網(wǎng)絡(luò)，需要在Nwk_globas.h中設(shè)置相關(guān)參數(shù)：

另外還要設(shè)置各個采集節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號來完成網(wǎng)絡(luò)的搭建。ZigBee中心模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)著系統(tǒng)初始化的作用，不僅僅需要把從終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，同時還具備控制網(wǎng)絡(luò)組建和節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的功能?？刂凭W(wǎng)絡(luò)包括控制入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)權(quán)限。根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)提供的信標(biāo)判斷是否允許其入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡(luò)地址。圖5為ZigBee中心模塊工作流程圖。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初始化掃描信道加入網(wǎng)絡(luò)之后,接收被分配的網(wǎng)絡(luò)地址，開始定時讀取采集數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送至上位機(jī)。

2.3 ZigBee芯片要求

在本設(shè)計(jì)中，要求芯片在通信容量、通信時延、通信可靠性、能量損耗上都能夠很好地滿足工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求。這里采用一個典型的ZigBee芯片CC2530[6]，CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)芯片，可廣泛應(yīng)用在2.4 GHz IEEE802.15.4系統(tǒng)、RF4CE遙控系統(tǒng)、ZigBee系統(tǒng)、家庭/建筑物自動化、照明系統(tǒng)及工業(yè)控制和監(jiān)視中。該芯片有以下特點(diǎn)：

（1）ZigBee標(biāo)準(zhǔn) 2.4G收發(fā)器， 支持 802.15.4、Zig-Bee2007、ZigBee PRO和 ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)；

（2）增強(qiáng)型 8051微控制器；

（3）32/64/128/256 KB 內(nèi)存，8 KB RAM；

（4）AES加密協(xié)處理器；

（5）最大輸出功率 10 dBm；

圖5 ZigBee中心模塊工作流程圖

（6）接收靈敏度-97 dBm；

（7）低功耗：0.4 μA。

本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)模塊以上述要求中的ZigBee芯片為核心，具有無線收發(fā)功能。其中中心節(jié)點(diǎn)通過RS-485接口與監(jiān)測裝置連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的目的。

隨著目前對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，基于無線技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。它不僅可以解決有線帶來的布線麻煩、維護(hù)不便等問題，同時還代表著工業(yè)自動化的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)采用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)同一電解槽內(nèi)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。使用較低的投資和使用成本就能實(shí)現(xiàn)對電解生產(chǎn)的實(shí)時環(huán)境監(jiān)測，具有很高的實(shí)用性。

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]屈利華，趙春江，楊信廷，等.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012(4)：179-183.

[3]AKYILDIZ I，SUW C.Wireless sesor networks：a survey[J].Computer Networks，2002，38(3)：393-422.

[4]劉玉芳.基于ZigBee技術(shù)鋁電解車間多參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2010.

[5]何杏宇，張浩，彭道剛.ZigBee技術(shù)在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電一體化，2008(7)：34-37.

[6]林健.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集平臺的實(shí)際與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.