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0 引言

輸液車間實時監(jiān)測系統(tǒng)需完成對各種重要生產(chǎn)設(shè)備、各個重點監(jiān)測區(qū)間的各種傳感信息(包括溫度、濕度、氣體、人員情況等)的采集、處理和控制[1]。與其他控制現(xiàn)場相比，輸液車間監(jiān)測點數(shù)量大、傳感量種類多、噪聲干擾強，對通信系統(tǒng)安全性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、抗干擾能力等都提出了很高要求。因此,設(shè)計高實時性、高可靠性的控制網(wǎng)絡(luò)是輸液車間自動監(jiān)測系統(tǒng)研究中的一個關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的工廠控制網(wǎng)絡(luò)大多采用有線傳輸技術(shù)[2]，而輸液車間需監(jiān)控的設(shè)備及信息量種類多，若采用傳統(tǒng)組網(wǎng)方式，易帶來布線復(fù)雜、擴展性差等弊端，進而影響整個系統(tǒng)的監(jiān)測性能。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可解決以上問題。ZigBee是一種采用IEEE 802.15.4標準、工作在2.4GHz頻段上的無線通信技術(shù)，由大量分布廣泛的傳感器通過無線電連接形成，這些傳感器以微弱的能量通過接力的方式將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳遞到下一個節(jié)點，因此具有低成本、低功耗及通信效率高等優(yōu)點[3]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用自組織網(wǎng)方式，通過自動搜索通信范圍內(nèi)的各個網(wǎng)絡(luò)模塊來構(gòu)建新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)或刷新原有網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點間通信距離從標準的75 m到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。另外，ZigBee還能與其他網(wǎng)絡(luò)融合，以實現(xiàn)制定范圍內(nèi)目標的檢測或控制，從而實現(xiàn)多功能的網(wǎng)絡(luò)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在輸液車間實時監(jiān)測過程中，利用ZigBee自組網(wǎng)功能將感測環(huán)境的各個監(jiān)測節(jié)點連接成無線網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，由協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置，其他節(jié)點通過發(fā)送請求加入或者退出網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點都分配有互不重復(fù)的ID標記[4]?，F(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點將采集現(xiàn)場的溫度、濕度、氣體、紅外線等多種實時信號參數(shù)，通過路由轉(zhuǎn)發(fā)或直接送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器同時起到網(wǎng)關(guān)的作用，它將ZigBee無線網(wǎng)的數(shù)據(jù)送至中控計算機進行數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)庫管理。同時，也可根據(jù)監(jiān)測要求，由計算機發(fā)出相關(guān)指令對各監(jiān)測點進行控制，以完成整個ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測控制、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置以及無線網(wǎng)組建。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸液車間系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 ZigBee無線節(jié)點的構(gòu)成

在輸液車間無線網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中，每個監(jiān)測點的控制器單元作為一個節(jié)點，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入現(xiàn)場控制級。ZigBee無線節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其關(guān)鍵部分是微處理器和射頻收發(fā)器[5]。

圖2 ZigBee無線節(jié)點結(jié)構(gòu)

微控制器除了完成感測環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及功能控制外，還需要完成ZigBee通信協(xié)議所要求的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。射頻收發(fā)器是一個物理層的器件，實現(xiàn)微控制器和無線網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)通信，是每個節(jié)點和無線網(wǎng)絡(luò)的空中接口，可提高ZigBee無線網(wǎng)的可靠性和抗干擾能力。

1.3 ZigBee接口硬件電路設(shè)計

ZigBee無線節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、控制及通信功能，節(jié)點間可傳送各種數(shù)據(jù)、參數(shù)和命令。為適應(yīng)輸液車間監(jiān)測點數(shù)量大、傳感量種類多及設(shè)備分布復(fù)雜的感測環(huán)境，滿足實時監(jiān)測要求，增強系統(tǒng)集成度及抗干擾能力，要求所選擇ZigBee射頻器件應(yīng)具有快速的計算速度，實現(xiàn)多點多傳感量的并行數(shù)據(jù)采集。同時，要求芯片集成度高、片內(nèi)資源豐富及外圍電路搭建簡單，以實現(xiàn)多種控制功能及節(jié)點控制單元小型化，并具有與其他CPU通信的能力，以便實現(xiàn)多CPU協(xié)同控制。

根據(jù)上述要求，本文選用CC2530射頻單片機芯片，它是ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)(system on chip,SOC)解決方案[6]。由于CC2530片內(nèi)的8051內(nèi)核處理數(shù)據(jù)能力較差，在處理系統(tǒng)多傳感量時易降低C2530節(jié)點的效率，導(dǎo)致傳輸出現(xiàn)延時、丟包等現(xiàn)象，因此針對低功耗、高處理能力等特點，選用STM32f107vct6型32位ARM芯片為微控制器，為多傳感器擴展提供支持[7]。

ZigBee通信接口電路圖如圖3所示。

圖3 ZigBee通信接口電路原理圖

STM32與CC2530均采用3.3 V邏輯電源，采用串口通信時不需要電平轉(zhuǎn)換，從而簡化了開發(fā)過程;而8051與PC端電源不一致，需經(jīng)過PL2303轉(zhuǎn)換電平，實現(xiàn)兩者間的通信。為了增強控制節(jié)點的可靠性和抗干擾能力，電路使用單極子不平衡天線，利用分離電感L1、L2和電容C4、C8、C10、C5、C3組成的非平衡變壓器提高天線接收性能。另外，CC2530的DCOUPL腳串接一個去耦電容C1后再接地，以保證1.8 V片上穩(wěn)壓器提供的1.8 V數(shù)字邏輯穩(wěn)定運行。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

本系統(tǒng)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用對等拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]。為了保證網(wǎng)絡(luò)通信的高實時性與高可靠性，同時便于布線，選取靠近車間門口的節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。由該協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)并進行網(wǎng)絡(luò)配置，其他節(jié)點作為路由器或傳感節(jié)點接入該無線網(wǎng)[9]。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個節(jié)點把采集的傳感量重復(fù)通過鄰近的路由器轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，或直接發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器同時起到網(wǎng)關(guān)的作用，以完成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與中控計算機或互聯(lián)網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)通信。

本系統(tǒng)的ZigBee無線網(wǎng)構(gòu)建過程主要包括兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化與節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。

① 網(wǎng)絡(luò)初始化。協(xié)調(diào)器上電完成硬件與協(xié)議棧各層初始化后，對信道進行掃描。找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為這個新的網(wǎng)絡(luò)選擇一個個域網(wǎng)標志符(PAN ID，取值≤0x3FFF)。PAN ID可由網(wǎng)絡(luò)形成請求時指定, 也可以隨機選擇，其中ID在所選信道中是唯一的，不能和其他ZigBee網(wǎng)絡(luò)沖突，而且不能是廣播地址0xFFFF[10]。PAN ID一旦選定，協(xié)調(diào)器將選擇16位網(wǎng)絡(luò)地址0x0000作為自身短地址,同時進行相關(guān)設(shè)置，以完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化。

② 節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。由待加入節(jié)點主動掃描查找周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，獲取協(xié)調(diào)器相關(guān)信息，并發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令。協(xié)調(diào)器接收到命令后,網(wǎng)絡(luò)管理實體首先判斷此節(jié)點是否已存在于網(wǎng)絡(luò)：若存在, 則使其加入網(wǎng)絡(luò)；若不存在, 協(xié)調(diào)器將根據(jù)自己的資源情況(存儲空間和能量)決定是否同意節(jié)點的加入請求。若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器將為節(jié)點分配一個網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應(yīng)命令，則節(jié)點與協(xié)調(diào)器成功建立連接并可以開始通信；若協(xié)調(diào)器資源不夠，節(jié)點將重新發(fā)送請求信息，直至入網(wǎng)成功。

3 系統(tǒng)調(diào)試過程

在系統(tǒng)測試及現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，要構(gòu)建并完善一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有很多細節(jié)問題需要注意。這些細節(jié)都直接影響到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，進而影響輸液車間的實時監(jiān)測效果。

① 在組網(wǎng)前需對每個接入網(wǎng)的節(jié)點進行功能測試，即將待測試的節(jié)點配置為路由節(jié)點或傳感節(jié)點，并與正常工作的協(xié)調(diào)器進行傳感量數(shù)據(jù)收發(fā)測試。若通信正常，說明此節(jié)點硬件電路基本正確。

② 根據(jù)感測環(huán)境各個節(jié)點需完成的功能，進行協(xié)調(diào)器、路由器、傳感節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)角色分配，并由協(xié)調(diào)器負責ZigBee無線網(wǎng)的組建與完善。為了防止協(xié)調(diào)器故障導(dǎo)致整個無線網(wǎng)絡(luò)癱瘓，至少需準備1～2個備用協(xié)調(diào)器，以保證整個監(jiān)測系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

③ 感測環(huán)境的各個節(jié)點要合理布置，需根據(jù)監(jiān)測車間的空間大小來布置協(xié)調(diào)器、路由器及傳感節(jié)點。一般可采用以下方法：靠近門口的節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，方便與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信；相隔1～2個節(jié)點布置一個路由器，其他節(jié)點及離協(xié)調(diào)器最遠的節(jié)點(如門口的對角線節(jié)點)則作為傳感節(jié)點，各個傳感節(jié)點自動選取最優(yōu)路線，通過路由轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)送至協(xié)調(diào)器，以提高監(jiān)測系統(tǒng)的通信效率與實時性。

④ 按照協(xié)調(diào)器→路由器→傳感節(jié)點的順序，依次給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上電，當前一種節(jié)點(如協(xié)調(diào)器)的工作狀態(tài)指示燈由暗變亮時，方可對下一類型節(jié)點(如路由器)通電。如果不按照此順序操作，易造成路由器、傳感節(jié)點搜尋網(wǎng)絡(luò)的時間比較長，進而影響網(wǎng)絡(luò)的組建與正常工作。

⑤ 協(xié)調(diào)器、路由器、傳感節(jié)點三者的波特率最好保持一致，且波特率不能太高，若設(shè)置得太高，如采用115 200 bit/s的通信速度，則通信不可靠。經(jīng)試驗，采用38 400 bit/s的通信速度網(wǎng)絡(luò)效果最好。

⑥ 在節(jié)點電路板上，采用發(fā)光二極管提示有無ZigBee無線數(shù)據(jù)發(fā)送，當節(jié)點有信號傳輸時，發(fā)光二極管閃爍。路由節(jié)點將接收到的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，而協(xié)調(diào)器直接將數(shù)據(jù)傳送至PC端進行后期處理。這不僅為調(diào)試程序帶來方便，而且可直觀地判斷分析工作故障或者狀態(tài)。

⑦ 經(jīng)測試，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點直線無遮擋可靠通信距離是70 m左右。如遇遮擋物(如墻)，則信號衰減厲害，特別是有些輸液車間是幾層銅板的隔離墻。因此，在每個輸液車間構(gòu)建一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，車間通過ZigBee無線網(wǎng)關(guān)與中控計算機進行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證通信的有效性與可靠性。

4 結(jié)束語

ZigBee無線技術(shù)的使用避免了輸液車間內(nèi)監(jiān)測模塊間復(fù)雜的連線，保障了整個感測環(huán)境各個傳感量的實時可靠傳輸，解決了現(xiàn)代化輸液車間自動監(jiān)測系統(tǒng)因廠房高、面積大等客觀因素帶來的高難度復(fù)雜布線問題。系統(tǒng)完成了ZigBee節(jié)點硬件接口設(shè)計及無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，模擬信號、數(shù)字信號和開關(guān)信號的采集與處理，溫度、濕度、氣體濃度、人員情況的輸出顯示，從而實現(xiàn)了整個輸液車間的實時狀況自動監(jiān)測，并且給出了系統(tǒng)調(diào)試過程中需要注意的問題。

系統(tǒng)試驗調(diào)試表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達250 kbit/s，具有較好的可靠性和抗干擾性，能更好地監(jiān)控輸液車間運行狀態(tài)和提供實時、準確、可靠的感測環(huán)境數(shù)據(jù)。

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