ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用研究

ZigBee 是一種新興的短距離、低功率、低速率無線接入技術(shù)，工作于無須注冊的2.4GHz ISM 頻段,傳輸速率為10～250kb/s，傳輸距離為10～75m。

它看起來更接近于藍(lán)牙，但比藍(lán)牙更為簡單,具有更低的傳輸速率和功率消耗，大多數(shù)時(shí)間處于睡眠模式，尤其適用于那些不需要實(shí)時(shí)傳輸或連續(xù)更新的場合，如工業(yè)控制領(lǐng)域和傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用了 IEEE802. 15. 4協(xié)議作為其物理層和媒體接入層規(guī)范。在其基礎(chǔ)之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用編程接口(API)規(guī)范,并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。

ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)

● 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月,甚至更長，這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較,藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。
● 低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10) ,降低了對通信控制器的要求。按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼,而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。
● 低速率。ZigBee工作在20～250kb/s的較低速率,分別提供250kb/s(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
● 近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。
● 短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。
● 高容量。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)。
● 高安全。ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
● 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲) 。
　　
PIC18F4620和CC2420簡介

PIC18F4620和CC2420是本文設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的兩個(gè)部件。PIC18F4620微控制器具有豐富的片上存儲功能，具有64 KB Flash和3968字節(jié)RAM的存儲空間；而且該微控制器具有多種省電模式供選擇。除了具有豐富的片上存儲功能和多種省電模式以外，18F4620微控制器還具有13個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個(gè)I/O數(shù)據(jù)線。可以很容易用軟件對其進(jìn)行編程和仿真，這些接口同時(shí)還可以用作與傳感單元的接口。

CC2420射頻收發(fā)器工作在2.4GHz ISM公用頻道。它有33個(gè)16位配置寄存器、15個(gè)命令選通寄存器、1個(gè)128字節(jié)的RX RAM、1個(gè)128字節(jié)的TX RAM、1個(gè)112字節(jié)的安全信息存儲器。一些主要特點(diǎn)：具有16個(gè)信道;典型的發(fā)射功率為0dBm,最大發(fā)射功率達(dá)到3.6dBm；采用DSSS擴(kuò)頻通信技術(shù),最大速率為250 kbps；在分組錯(cuò)誤率為1%的情況下,其接收靈敏度達(dá)到-95dBm(典型值)。

　　
ZigBee無線平臺簡介

整個(gè)系統(tǒng)按照運(yùn)行流程可分成三部分:傳感感器終端（多個(gè)）、路由節(jié)點(diǎn)(可選)、中心數(shù)據(jù)管理終端。

圖2 系統(tǒng)示意圖

我們可以在傳感器終端加裝不同的傳感器來實(shí)現(xiàn)對所需數(shù)據(jù)的監(jiān)控，從而發(fā)揮ZigBee平臺的作用。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RS232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

平臺采用了Microchip公司提供的開放協(xié)議棧，通過設(shè)計(jì)修改其應(yīng)用層代碼來實(shí)現(xiàn)所需的功能。

通常，ZigBee節(jié)點(diǎn)的IEEE64位地址是由用戶自己定義的, 它們被寫在節(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)會分配給它一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)短地址。對于初次使用的終端節(jié)點(diǎn)，可以經(jīng)過與中心節(jié)點(diǎn)綁定過程從而讓終端節(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。對于較小的網(wǎng)絡(luò)，由于直接發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，也可以直接使用0x00作為目標(biāo)地址。
　　
ZigBee在工業(yè)控制中的應(yīng)用方案研究

1 ZigBee工廠消防監(jiān)控方案

目前，大型工業(yè)綜合廠房集生產(chǎn)車間、倉庫于一體，其消防具有空間大、線路要求高等特點(diǎn)；而老廠房有線消防系統(tǒng)改造的成本較高，尤其在一些化工生產(chǎn)廠房和庫房，工藝操作的要求給布線增加了困難。本方案為解決這類問題提供了一條途徑。

①系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分成兩部分：無線煙感器終端（多個(gè)）和中心數(shù)據(jù)管理終端。無線煙感器終端是檢測發(fā)送煙霧數(shù)據(jù)的集成設(shè)備，它在檢測到一定濃度的煙霧后在本地報(bào)警，同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給管理終端；中心數(shù)據(jù)管理終端將無線煙感器終端中發(fā)送的數(shù)據(jù)接收后，通過軟件在PC機(jī)上給管理人員報(bào)警并顯示火警相應(yīng)位置，還可以通過設(shè)置加入一些其他的處理功能。

圖3 煙感終端結(jié)構(gòu)圖

●無線煙感器終端

在用戶端無線煙感器加裝通訊模塊形成終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸。基于ZigBee的低功耗特點(diǎn)，該終端采用9V電池供電。

● 中心數(shù)據(jù)管理終端

其主要功能包括接收無線煙感器終端數(shù)據(jù)并報(bào)警及存儲，對數(shù)據(jù)做出一定的處理以及根據(jù)客戶需求打印各種報(bào)表。

②系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)核心部分為無線收發(fā)模塊，煙霧傳感器直接與單片機(jī)I/O口相連，出現(xiàn)火情時(shí)由煙感中的繼電器電平變化引發(fā)單片機(jī)中斷，從而通過射頻芯片CC2420向中心報(bào)告。單片機(jī)與PC機(jī)通過MAX322實(shí)現(xiàn)串口通訊。

圖4 中心數(shù)據(jù)管理終端

● 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

我們在程序中設(shè)定了每個(gè)不同的終端節(jié)點(diǎn)在遇到火情時(shí)發(fā)送各自特定的代碼給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)收到后再交給上位機(jī)進(jìn)行識別。ZigBee規(guī)范中通信部分的消息幀有KVP和Message兩種方式，由于發(fā)送的代碼比較簡單而且量很少，所以采用KVP格式進(jìn)行發(fā)送。KVP幀格式定義如圖5所示。

中心節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序調(diào)用APLGet( )函數(shù)，在接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將其通過串口發(fā)送給上位機(jī)，串口的主要函數(shù)如下：
void ConsoleInit(void)
{ OpenUSART(USART_TX_INT_OFFUSART_RX_ INT_ONUSART_ASYNCH_MODE USART_EIGHT_BIT USART _CONT_RX USART_BRGH _HIGH,SPBRG_VAL );
}
　　void ConsolePut(BYTE c)
{ while( !ConsoleIsPutReady() );
　　 TXREG = c;
}
　　void ConsolePutROMString(ROM char* str)
{
　　 BYTE c;
　　 while( c = *str++ )
　　 ConsolePut(c);
　　 while( !ConsoleIsPutReady() );
}

圖5 KVP幀格式

● 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序主要負(fù)責(zé)從串口接收中心節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，并做出相應(yīng)動作，如報(bào)警并識別出火情位置，并可進(jìn)行一定的處理（如開啟水閥等）。軟件由VB編寫。

它可以實(shí)現(xiàn)的功能有：1.設(shè)定通信端口。2.顯示房間狀態(tài)。3.顯示歷史記錄。通過設(shè)定通信端口可以選擇當(dāng)前空閑的串口，顯示房間狀態(tài)可以顯示哪個(gè)房間或哪個(gè)位置發(fā)生了火情，顯示歷史記錄可以顯示曾經(jīng)發(fā)生過報(bào)警的房間號和時(shí)間。

軟件安裝后，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇樓層數(shù)和房間數(shù)，并和終端節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)。還可以存儲起火原因，便于遇到突發(fā)事件時(shí)的相關(guān)人員做出處理。

2 ZigBee傾斜度測量應(yīng)用方案

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，安裝和建筑等許多領(lǐng)域，經(jīng)常需要測量傾斜度，這就需要傾斜測量裝置。我們可以利用ZigBee平臺來方便的實(shí)現(xiàn)測試點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)也方便測試點(diǎn)的安裝。

這里采用了飛思卡爾新推出的MMA7260 加速度傳感器來測量傾斜。它是一種低功耗三軸電容式微機(jī)械傳感器，有1.5g、2g、4g、6g四種量程可以選擇。封裝為QFN16腳，采用 2.2～3.6V寬電壓電源，而且支持休眠，符合ZigBee對低功耗的要求，很適合在ZigBee平臺上使用。由于數(shù)據(jù)量相對較大，我采用了格式更為靈活的MSG格式，其幀格式定義如圖6。

圖6 MSG幀格式

MMA7260自帶了溫度補(bǔ)償和濾波，只需簡單處理即可將其輸出的三路（XYZ軸）加速度模擬量接入到PIC18單片機(jī)自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊中。

數(shù)據(jù)由RS-232由節(jié)點(diǎn)傳入到PC機(jī)后，采用了NI公司的labview軟件進(jìn)行處理，它的G語言操作非常友好，可以方便的對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和計(jì)算，然后顯示在虛擬的儀器界面上。

如果有必要，可以在某個(gè)軸上加入報(bào)警，超過門限值時(shí)對操作員進(jìn)行提示，甚至直接給設(shè)備發(fā)出指令。
　　
結(jié)語

消防監(jiān)控和傾斜測量只是ZigBee 技術(shù)在工控領(lǐng)域的兩個(gè)簡單應(yīng)用，它具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該模塊也可以很方便的移植到其他的無線應(yīng)用中去。