趙孟石

[摘 要]工業(yè)控制是指使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，微電子技術(shù)，電氣手段，使工廠的生產(chǎn)和制造過(guò)程更加自動(dòng)化、效率化、精確化，并具有可控性及可視性。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)接口的開(kāi)放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求越來(lái)越高，有線控制網(wǎng)絡(luò)的局限性也越來(lái)越突出。ZigBee是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。本研究主要介紹了ZigBee的網(wǎng)絡(luò)模型，并探討了ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]ZigBee 工業(yè)控制 網(wǎng)絡(luò)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU1.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）04-0246-01

前言：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和信息管理技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)控制系統(tǒng)逐步由集中走向分散。網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放化、智能化和集成化成為了工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的方向。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其中物理層（PHY）和介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶(hù)自己的應(yīng)用需要，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩?hù)提供機(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式?？梢郧度敫鞣N設(shè)備，非常適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

1.ZigBee技術(shù)介紹

1.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)一般用層來(lái)描述它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議符合七層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由物理層（PHY）、介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）組成。在IEEE802.15.4定義的物理層和子層協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)上，繼續(xù)定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，在應(yīng)用層中規(guī)范了應(yīng)用支持子層和設(shè)備對(duì)象。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的相應(yīng)任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，這3個(gè)工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)目不同，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz頻段上分為16個(gè)信道。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255 個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。其中物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層主要采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由ZigBee聯(lián)盟制定。

1.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成，傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；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。由于ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊要與電器儀表等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一起使用或者單獨(dú)使用，并且使用電池供電，所以要求ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊體積小、低功耗和高可靠性。ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件模塊主要由微控制器、無(wú)線射頻收發(fā)模塊、串口接口、調(diào)試模塊、液晶模塊和電源模塊組成。微控制器主要用于控制無(wú)線射頻收發(fā)模塊，處理射頻信號(hào)，控制和協(xié)調(diào)各個(gè)器件的工作。我們可以在傳感器終端加裝不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所需數(shù)據(jù)的監(jiān)控，從而發(fā)揮ZigBee平臺(tái)的作用。中心數(shù)據(jù)管理終端由中心節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)組成，二者之間可以通過(guò) RS232 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。平臺(tái)采用了Microchip公司提供的開(kāi)放協(xié)議棧，通過(guò)設(shè)計(jì)修改其應(yīng)用層代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。通常，ZigBee 節(jié)點(diǎn)的IEEE64 位地址是由用戶(hù)自己定義的， 它們被寫(xiě)在節(jié)點(diǎn)的 EEPROM 中。而每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，中心節(jié)點(diǎn)會(huì)分配給它一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)短地址。對(duì)于初次使用的終端節(jié)點(diǎn)，可以經(jīng)過(guò)與中心節(jié)點(diǎn)綁定過(guò)程從而讓終端節(jié)點(diǎn)的地址信息出現(xiàn)在中心節(jié)點(diǎn)的綁定表中，使數(shù)據(jù)的收發(fā)更加穩(wěn)定。

2.ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 ZigBee在工廠消防監(jiān)控中的應(yīng)用

隨著人們生活質(zhì)量的提高。裝修裝飾逐步高檔化，電器設(shè)備的增多，高層及超高層建筑的增加以及商場(chǎng)超市等群眾聚集場(chǎng)所規(guī)模的迅速擴(kuò)大，消防安全的重要性越來(lái)越突出。而今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來(lái)越多的新型建筑采用了智能消防系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分成兩部分：無(wú)線煙感器終端（多個(gè)）和中心數(shù)據(jù)管理終端。無(wú)線煙感器終端是檢測(cè)發(fā)送煙霧數(shù)據(jù)的集成設(shè)備，它在檢測(cè)到一定濃度的煙霧后在本地報(bào)警，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給管理終端。ZigBee噴淋和報(bào)警控制器內(nèi)置基于CC2530的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，它能通過(guò)無(wú)線信道接收來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器下發(fā)的指令，解析后執(zhí)行噴淋器、報(bào)警器的控制，并可根據(jù)需要采集噴淋器、報(bào)警器的運(yùn)行狀態(tài)上報(bào)協(xié)調(diào)器。CC2530的P0.0口是采集煙霧傳感探頭輸出信號(hào)的I/O口，當(dāng)CC2530檢測(cè)到P0.0為低電平時(shí)，說(shuō)明有火情發(fā)生；反之，說(shuō)明無(wú)火情。

2.2 ZigBee和CAN總線技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線化的需求也進(jìn)一步加大，所以使用CAN總線技術(shù)和ZigBee技術(shù)的結(jié)合，運(yùn)用到一定范圍內(nèi)的工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，是一個(gè)很好的方式。CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求；CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)；CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN總線是兩線結(jié)構(gòu) ，即為差分形式的物理結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō)，CAN總線上使用“顯性”（邏輯0）和“隱性”（邏輯1）兩個(gè)互補(bǔ)值來(lái)表達(dá)邏輯。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbit/s以下），通信速率最高可達(dá)1Mbit/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m）；CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纜，選擇靈活。網(wǎng)關(guān)主要由CAN收發(fā)器、CAN控制器、ZigBee模塊以及負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換的控制器組成。CAN 節(jié)點(diǎn)沒(méi)有固定的站點(diǎn)地址，即沒(méi)有主從節(jié)點(diǎn)之分，可以有多個(gè)主機(jī)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀消息根據(jù)仲裁域賦予的優(yōu)先級(jí)對(duì)總線進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，即當(dāng)有多條幀消息同時(shí)出現(xiàn)在總線上時(shí)，發(fā)送低優(yōu)先級(jí)幀消息的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出總線競(jìng)爭(zhēng)，具有最高優(yōu)先級(jí)的幀消息繼續(xù)傳輸，這樣節(jié)省了總線沖突的仲裁時(shí)間，即使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重也不會(huì)癱瘓。由于CAN總線與ZigBee通訊的傳輸速率和傳輸方式不盡相同，所以為保證兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?，也為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般使用譬如高速SPI等高速協(xié)議作為轉(zhuǎn)換控制器。

結(jié)語(yǔ)：

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)成本低， 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)，這是ZigBee 的突出優(yōu)勢(shì)。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10） ，降低了對(duì)通信控制器的要求。而且，ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)，具有大容量的特點(diǎn)。因此可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，而且擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)能源監(jiān)控，工業(yè)自動(dòng)化管理等，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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