陳革維

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

·實習(xí)與實訓(xùn)·

ZigBee在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)中的應(yīng)用

陳革維

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

為推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)的建設(shè)，在機(jī)電一體化實訓(xùn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于ZigBee無線通信技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)方案。該實訓(xùn)方案以Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以點對點和點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)為載體，使學(xué)生通過典型案例的實驗，掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的基本技能與應(yīng)用技巧，適用于工廠自動化制造與運(yùn)輸領(lǐng)域。針對培養(yǎng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才，實訓(xùn)方案涉及無線通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、可編程控制器技術(shù)、氣動控制技術(shù)與電氣控制技術(shù)等知識。通過實踐研究，證實該實訓(xùn)方案使實驗具有更大程度上的拓展性，為學(xué)生的進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計提供了一個開放的實驗平臺。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)； ZigBee； 無線通信； 實訓(xùn)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代工業(yè)工程的先進(jìn)領(lǐng)域，對我國制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[1]。實踐教學(xué)是高等教育的重要教學(xué)模式，在工科領(lǐng)域的教學(xué)研究開展得尤為深入[2-4]。對高等職業(yè)教育而言，實踐教學(xué)尤其重要,是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)的最有效的方式之一。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要監(jiān)控移動的物理對象，無線通信技術(shù)是組建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐。如何將無線通信技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用相結(jié)合，是設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)方案的切入點和關(guān)鍵點。

在新興的無線通信技術(shù)中，ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，適用于傳感及控制領(lǐng)域。作為廣義物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上同樣包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個層次[5]，是由嵌入了電子元件、傳感器以及軟件的物理對象組成的網(wǎng)絡(luò)。由于高等職業(yè)教育側(cè)重于培養(yǎng)工業(yè)生產(chǎn)一線應(yīng)用型技術(shù)人才，故工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)方案應(yīng)當(dāng)側(cè)重于感知層與網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)建與應(yīng)用。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)中，可以依托高校已有的機(jī)電控制實訓(xùn)設(shè)備，簡單快捷地設(shè)計各種實訓(xùn)方案，同時相對其他無線通信模塊，ZigBee模塊具有商業(yè)化程度高，選擇多樣化，成本低廉的優(yōu)勢。

設(shè)計、構(gòu)建與優(yōu)化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)工程的重要任務(wù)。目前國內(nèi)各大高等院校相繼開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)課程，并大力進(jìn)行課程建設(shè)。但是對于不少高校而言，由于實訓(xùn)設(shè)備的缺乏與不配套，使課程教學(xué)中偏重理論教學(xué)，實踐教學(xué)過于簡單，學(xué)生缺乏對實際應(yīng)用的直觀感受，教學(xué)效果難以達(dá)到理想的程度。教學(xué)實踐和研究表明，在已有實訓(xùn)設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)新的實訓(xùn)方案是相對便利可行的途徑[6-8]。通過與理論教學(xué)配套設(shè)計的實訓(xùn)課程訓(xùn)練，學(xué)生才能更容易和有效地掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)的知識要點，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等。目前創(chuàng)新型人才培養(yǎng)得到極大的重視，相關(guān)教學(xué)研究得到了推廣[9-11]，為推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實踐教學(xué)的建設(shè)，本文利用現(xiàn)有的機(jī)電控制實訓(xùn)設(shè)備，開發(fā)基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)方案，并為學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計提供一個開放的實驗平臺。

1 實訓(xùn)系統(tǒng)的組成

ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee芯片將無線通信功能與微控制器集成為一體。由模塊組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要用于工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)的傳輸，使用簡單方便，工作可靠性較高，適用于自動控制領(lǐng)域。各種ZigBee模塊可以嵌入機(jī)電控制設(shè)備中，其信號傳輸范圍通常介于10～100 m之間，信號響應(yīng)速度快，可以實現(xiàn)對運(yùn)動物體的監(jiān)控。從上述特性可以看出，ZigBee是一種易于與機(jī)電設(shè)備相融合的低成本、低功耗的近距離無線通信組網(wǎng)技術(shù)，可應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，因此適合于構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[12-14]。與制造業(yè)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相比，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在自動化制造與智能物料傳輸方面具有更大的柔性[15]。目前國內(nèi)可以購買到不同國家生產(chǎn)的多種ZigBee模塊，實訓(xùn)方案中選擇的ZM-DEMO模塊如圖1所示。

實訓(xùn)場景建立在Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該柔性制造系統(tǒng)由10個工作站、1個產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)以及2臺CNC機(jī)床等單元組成。產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)包括移動托盤、傳送帶、擋塊等執(zhí)行部件以及光電傳感器等傳感元件，它具有傳輸工件和聯(lián)結(jié)10個工作站的功能；10個工作站包括供料站、檢測站、加工站、自動存取系統(tǒng)等；2臺CNC機(jī)床分別為車床和銑床。Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)的控制主要采用現(xiàn)場總線技術(shù)和可編程控制器技術(shù)，與其他相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)實驗平臺相比[16]，在其基礎(chǔ)上應(yīng)用ZigBee技術(shù)設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)方案，可以綜合運(yùn)用無線通信、單片機(jī)、氣動控制與電氣控制技術(shù)，并使學(xué)生在實訓(xùn)過程中涉及到Profibus現(xiàn)場總線、機(jī)器人、機(jī)械設(shè)計、過程控制等技術(shù)。Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 ZM-DEMO模塊

圖2 Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)

2 實訓(xùn)方案設(shè)計

從結(jié)構(gòu)上而言，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中作為應(yīng)用基礎(chǔ)的感知層包含傳感器、執(zhí)行器、智能裝置等；網(wǎng)絡(luò)層則包含基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、延伸網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等。在掌握上述知識點的基礎(chǔ)上，實訓(xùn)方案包括利用ZigBee模塊建立點對點以及點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)等。實現(xiàn)點對點無線信號傳輸是利用無線通信技術(shù)建立工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本技能。

2.1 點對點網(wǎng)絡(luò)

基于ZigBee模塊的點對點硬件網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 點對點網(wǎng)絡(luò)

由于ZigBee的信號傳輸速率定義為250 Kbit/s，它適合于傳感器等裝置之間的無線信號傳輸。ZigBee模塊的低功耗限制了其信號的目視傳輸距離在10～100 m之間，具體取決于信號輸出功率和周邊環(huán)境特征。同時ZigBee模塊也可以通過中間裝置構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來長距離傳輸信號。在掌握上述知識點后，產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)的移動托盤被選擇為實驗對象。

在實驗中，移動托盤的任務(wù)是沿著傳送帶軌道移動并感應(yīng)經(jīng)過的信號點，目標(biāo)是在最短的時間內(nèi)檢測到最多的信號點以及如何在規(guī)定的時間內(nèi)檢測到所有的信號點。

實驗前，學(xué)生需要將ZM-DEMO模塊安裝在移動托盤上，設(shè)置并調(diào)試傳感器。重要工作是設(shè)置兩個ZigBee模塊的無線通訊參數(shù)，測試硬件通信效果。終端節(jié)點的硬件和軟件程序必須由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計。

通過實驗，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握各個部件的功能和知識點，包括傳感器、單片機(jī)、ZigBee等。如單片機(jī)嵌入在模塊中的方式；移動托盤的運(yùn)動由傳送帶控制，而傳送帶由可編程控制器控制等。學(xué)生還可以利用不同原理的傳感器來檢測信號點。

實驗包括硬件調(diào)試和軟件設(shè)計兩個部分，硬件調(diào)試的主要內(nèi)容是優(yōu)化通信效果，如無線信號的穩(wěn)定性和有效性；軟件設(shè)計的內(nèi)容則是完成任務(wù)目標(biāo)和盡可能地縮短工作時間。

點對點網(wǎng)絡(luò)實驗的其他實驗對象是工作站，工作站共有10個，其中提取站實驗方案設(shè)計為：任務(wù)之一是檢測工作部件的位置與工作狀態(tài)，如機(jī)械手等；另一任務(wù)是控制工作部件的運(yùn)動。實驗的目的是利用ZigBee模塊實現(xiàn)工作部件的實時監(jiān)控。

實驗前，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握提取站的工作流程。工作流程①是判定托盤上是否有工件；②如果托盤上有工件，機(jī)械手夾取工件并按照線路運(yùn)動至下一位置；③工件放置于終端，機(jī)械手按照線路返回。通過實驗，學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握提取站各個部件的功能和知識點，包括位置傳感器、電磁閥以及氣缸控制原理，如工作部件由氣缸驅(qū)動，氣缸則由電磁閥控制等。實驗同樣包括硬件調(diào)試和軟件設(shè)計兩個部分。

2.2 點對多點網(wǎng)絡(luò)

與點對點網(wǎng)絡(luò)實驗不同，點對多點網(wǎng)絡(luò)實驗強(qiáng)調(diào)不同工作設(shè)備之間的過程平衡。ZigBee技術(shù)支持建立星形網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)，普通的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建都可以利用ZigBee模塊完成。網(wǎng)絡(luò)中必須要有一個起協(xié)調(diào)作用的裝置，在星形網(wǎng)絡(luò)中，該裝置必須為中心節(jié)點?；赯igBee模塊的點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 點對多點網(wǎng)絡(luò)

產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)和產(chǎn)品自動存取系統(tǒng)被選擇為實驗對象，自動存取系統(tǒng)如圖5所示。在實驗中，產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)的任務(wù)是監(jiān)控所有沿著傳送帶軌道移動的托盤的位置和狀態(tài)。實驗的目標(biāo)是避免移動托盤的相互碰撞，以及在軌道上放置盡可能多的移動托盤。為了在保持移動托盤有序運(yùn)行的同時，實現(xiàn)縮短產(chǎn)品傳輸系統(tǒng)總體運(yùn)行時間的效果，學(xué)生應(yīng)當(dāng)設(shè)計不同的方案并進(jìn)行優(yōu)化選擇。產(chǎn)品自動存取系統(tǒng)的任務(wù)則是監(jiān)控工件存取架上每一個工件儲存位的狀態(tài)。工件存取架共有5層，工件由機(jī)械手自動抓取。如果儲存位已有工件放置，則另一個工件不能放置在相同位置。實驗的目標(biāo)是避免工件之間的碰撞，以及在存取架上放置盡可能多的工件。為了縮短產(chǎn)品自動存取系統(tǒng)總體運(yùn)行時間，學(xué)生同樣應(yīng)當(dāng)設(shè)計不同的方案并進(jìn)行優(yōu)化選擇。

圖5 自動存取系統(tǒng)

與點對點網(wǎng)絡(luò)實驗相比，點對多點網(wǎng)絡(luò)實驗更為復(fù)雜。實驗還可以擴(kuò)展為工作站之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，為此學(xué)生應(yīng)當(dāng)設(shè)計工作站之間的硬件接口，并平衡各個工作站的動作流程。作為基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)的強(qiáng)化與補(bǔ)充，學(xué)生還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行基于其他組網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)實驗，如Profibus現(xiàn)場總線等。

3 結(jié) 語

在Micro FMS50柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)方案，以點對點及點對多點硬件網(wǎng)絡(luò)為載體，將無線通信、單片機(jī)、氣動控制與電氣控制技術(shù)等知識有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生通過典型案例的實驗，掌握工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的基本技能與應(yīng)用。由于ZigBee芯片將無線通信功能與微控制器集成為一體，ZigBee模塊可以方便地嵌入各種機(jī)電控制設(shè)備中，可以充分利用現(xiàn)有的機(jī)電控制實訓(xùn)設(shè)備開展實踐教學(xué)，因而實驗更具有拓展性，為學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計提供了一個開放的實驗平臺。

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Application of ZigBee in the Experiment of Industrial Internet of Things

CHENGewei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

In order to promote the practicum teaching of industrial Internet of Things, an experimental scheme based on ZigBee wireless communication technology is designed by utilizing the experimental equipments of mechatronics technology. The scheme organizes the networks of point to point and point to multi-point based on the flexible manufacturing system of Micro FMS50. The students can study the organizing skill and use technique of industrial Internet of Things by the typical experiments which are suitable for automatic manufacture and transport in factory. Aimed to train the technologist for industrial Internet of Things, the experiment scheme involves the knowledge of wireless communication, singlechip, PLC, pneumatic control, electric control and so on. By teaching study, it verifies that the experimental scheme is easy for widening. It provides an experimental field which opens to students for innovative design further.

industrial Internet of Things; ZigBee; wireless communication; experiments

2016-05-09

廣東省高職教育機(jī)電類專業(yè)教育教學(xué)改革項目(jd201383)

陳革維(1969-)，男，四川綿陽人，博士，副教授，主要研究方向為機(jī)電一體化技術(shù)。

Tel.：13715098017，E-mail: xialang@szpt.edu.cn

TP 271；G 642.44

A

1006-7167(2017)04-0221-04