基于Mesh網絡的工廠供氣監測系統研究

郭 杰，雷 剛，施 蕓，王 濤

GUO Jie, LEI Gang, SHI Yun, WANG Tao

（四川工程職業技術學院，德陽 618000）

0 引言

大型制造業企業中，生產設備和各個生產環節對于各種氣體的消耗量較大。例如焊接環節的氧氣、乙炔等可燃氣體，以及氬氣、氦氣等保護氣體。如果使用每個工段獨立供氣的方式，對于廠區建設和設備維護都會提出很大的挑戰。為此，現代的很多大型工廠使用集中供氣模式，集中建設一個獨立的供氣站，通過預埋的供氣管網為各個工段進行集中供氣。但在集中供氣的設計中，為保證供氣站和各個供氣點的安全，必需建立一套與之配套的集中供氣監測系統。傳統的監測系統通常使用有線通信方式，網絡布線復雜，升級改造成本較高。另一種方式是采用無線公共網絡，如GPRS等方式實現，該方式速度快、數據流量大、網絡可靠、傳輸距離大等優點。但在運行的過程中需要長期花費不菲的網絡通信費用，對于長期使用的監測網絡來說，顯得不夠經濟。對此，使用基于ZigBee技術的Mesh網絡結構進行無線監測網絡的構建可以很好的解決供氣站監測系統設計問題。

1 工業無線技術簡介

在工業領域中，具備相關技術規范，且影響巨大有相關設備應用的主要包含四種無線技術，分別是ZigBee技術、無線HART、SP100和WIAPA技術。

圖1 ZigBee網絡的三種拓撲結構

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是由ZigBee Alliance于2004 年正式推出的短距離無線通信技術標準，它的物理層和數據鏈路層采用IEEE802.15.4規范，在此基礎上定義了標準化的網絡層、應用層和安全層，支持應用層和網絡層的安全操作。同時，通過行規

(Profile)的形式，對各種可能的應用進行了標準化。

ZigBee標準近年來也根據不同的應用需求進行了多次修改，目前主要有三個版本，即ZigBee2004版、ZigBee2006 版和ZigBee PRO版。前期的兩個版本主要適用于家庭自動化、無線抄表等領域。ZigBee PRO為其最新的版本，主要針對在工業領域的應用進行了修改，增加高級功能和更高靈活性的ZigBee PRO框架堆棧，其增強特別體現在易用性和對大型網絡的支持方面，增加了網絡可伸縮性、分解片段（分解較長消息和實現與其它協議和系統交互的能力）、頻率捷變和自動設備尋址管理能力。

ZigBee網絡支持星狀、樹狀和網狀三種網絡拓撲結構，如圖1所示（圖中黑色節點代表網絡協調器，白色節點代表路由器和終端）。

1.2 無線HART技術

2004年HART通信基金會宣布開始制定無線HART協議，2007年無線HART的規范和通信協議協議通過。HART技術的主要參與者有：Emerson、ABB、Siemens、Dust Networks等， 根據相關統計，已經有超過3000萬臺（套）設備使用了該技術標準。但對于普通用戶，HART沒有商用版本的開發套件，也沒有商用版本的協議棧可用，開發難度大，開發周期長。

1.3 SP100技術標準

SP100 是一個覆蓋整個工業自動化應用的標準，由美國儀表系統和自動化學會提出。SP100與無線HART技術特點類似，也是采用無線網格型網絡通信協議,物理層和數據鏈路層通過與IEEE 802.15.4 兼容的直接序列序擴頻DSSS 和跳頻擴頻技術FHSS 進行數據傳送。

1.4 WIA-PA技術標準

WIA-PA標準是我國提出的具有自主知識產權的工業現場無線標準。物理層同樣常用與IEEE 802.15.4 兼容的信號傳輸方式。在國內已經有成功的應用案例，具有一定的發展前景。

2 監測系統設計

2.1 總體設計

圖2 系統網絡拓撲圖

在傳統的無線局域網中，每個客戶端均通過一條與AP(Access Point)相連的無線鏈路來訪問網絡，形成一個局部的BSS(Basic Service Set)。用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。可以解決由于某一個AP流量過大而導致擁塞的問題，數據可以自動重新進行規劃，而通過流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包可以根據網絡實際擁塞情況進行數據傳輸，實現數據包的多跳訪問，實現多跳網絡，增強系統的穩定性和可靠性。

對于Mesh網絡的構建可以采用前文所述的四種方法。無線HART技術具有廣泛應用，成熟產品多。但是由于無線HART技術受到幾家大公司的技術壟斷，開發性差，對于普通用戶開發難度較大，成本高、開發周期長。SP100和WINPA技術處于起步階段，相關資源相對較少，開發難度較大。相對而言，ZigBee技術開放性強，自從2004年技術標準公布以來，在無線網絡領域得到了廣泛的應用，相關開發工具、開發套件較多。采用ZigBee技術構建Mesh網絡，對于降低開發成本，節約開發周期具有較大的優勢。

基于以上因素，在供氣站監測系統項目的Mesh網絡設計中采用ZigBee無線技術，系統網絡結構如圖2所示。

該系統由網關、ZigBee路由器、各種監測點（ZigBee終端節點）組成，構成一個基于ZigBee無線技術的Mesh網絡。各種監測到的數據通過ZigBee終端節點和路由器的轉發，到達ZigBee網關，ZigBee網關接收到數據后，將數據信息轉換為MODBUS格式的數據包，供總線上的顯示和處理結點使用。

在該系統中使用的網關是系統的核心部分，需要完成以下功能：

1）承擔ZigBee網絡協調器功能，完成網絡的組建，路由表的生成、節點地址的分配、網絡的管理和協調等工作。

2）需要將從網絡節點、路由器得到的測量數據轉換為MODBUS格式的數據包，供總線上的顯示和處理結點使用。

3）接收總線上接收的控制命令，完成相應的工作。

圖3 ZigBee路由器和監測節點電路圖

2.2 ZigBee路由器和監測節點設計

ZigBee路由器和監測節點使用相同的電路結構，均采用CC2530進行電路設計，如圖3所示。

CC2530是TI 公司推出的 ZigBee/IEEE 802.15.4標準的系統級芯片，采用0.18μm CMOS工藝，工作電流損耗為27mA。具備休眠模式與主動模式超短時間轉換響應特性，降低系統功耗，提高電池的使用時間。

CC2530集成了一個高性能的 RF 收發器和一個優化的低功耗的 8051微控制器內核，8KB的RAM，32/64/128/256KB可選閃存，以及其他強大的支持功能和外設，允許芯片無線下載，支持系統編程；同時，其自帶2.4GHz高性能 RF 收發器，需要用戶外接的主要包括32MHZ主時鐘、32K副時鐘、射頻天線輸出和用戶自定義的串行通信接口，基于以上特性使CC2530成為一個典型的SOC系統，簡化了電路結構，減輕使用者的硬件開發成本和周期。其次，該芯片還具有集成開發環境、完善的開發工具包。該芯片開發的產品已經廣泛應用于汽車、工控系統和無線感應網絡等領域。

在該系統中路由器需要完成以下功能：

1）由于ZigBee模塊的功率限制，通常傳輸距離小于100米，需要通過在各個廠區布置的路由器進行數據的轉發和中繼，實現數據的接力傳輸。

2）當網絡中的部分路由器功能丟失時，可以通過附近的路由器進行數據傳遞，增加系統的穩定可靠性。

對于工廠供氣過程中，使用廠區的主要檢測對象為：氣體的壓力和溫度，以及節點供電電池電量狀態。在實際應用中使用相對應的壓力和溫度檢測傳感器將其轉換為模擬變化的電壓信號，然后使用CC2530內部自帶的AD轉換器進行模數轉換，得到對用的壓力和溫度數據。

圖3中圍繞核心器件CC2530構成ZigBee路由器和監測節點電路結構。在實際工作過程中，CC2530周期巡檢溫度、壓力和電池電壓數據，并通過ZigBee向網關發送該節點的測量結果，實現無線監測目的。

為便于工作人員的監測，利用P1.1-P1.5構成的通信接口J1連接一個串行的液晶顯示模塊和3個獨立式按鍵K1-K3。利用按鍵顯示模塊，可以實時的觀察本節點和網絡中其他節點的狀態。使用時，當需要在LCD上顯示數據時，通過按鍵K1激活顯示模塊，通過按鍵K2和K3選擇需要監測的數據選項，監測完成后，可以通過K1關閉顯示模塊，達到節能的目的。

對于各監測節點和路由器節點，由于使用電池供電，對于節能的管理必需嚴格，在節點的控制策略中必須嚴格控制CPU的工作狀態，盡量使CPU處于睡眠狀態。同時在節點預留充電接口和太陽能電池板輸出接口，對于戶外安裝的節點，可以采用太陽能電池板供電，對于室內安裝的節點，使用直流充電器對電池充電。

2.3 軟件系統設計

1）網關軟件設計

網關在上電后，根據環境情況，進行網絡Mesh網絡的組建。具體流程如圖4所示：應用層向網絡層發送網絡創建源語請求，網路層收到請求后，向MAC層發送頻率偵測請求和信道上設備掃描，經過MAC層的處理，MAC層反饋網絡層確認信息和參數信息。網絡層通過MAC層的反饋參數，建立一個新的網絡，并選擇一個PAN標識符，網絡層選定PAN標識后，以0X00作為自己的網絡地址，最后向MAC層發送網絡運行源語，經過MAC層的確認后，網絡開始運行，一個新的網絡建立成功。

圖4 網絡建立流程圖

圖5 節點加入網絡流程圖

2）節點的動態入網

在網絡建立后，網關協調器作為網絡的第一個節點，系統中的其余路由器和監測節點需要進入Mesh網絡，成為網絡的節點。根據系統硬件設計，采用的Zigbee模塊有效接收距離為100米以內，所以在此范圍內的節點（路由器和監測節點）可以直接和協調器連接，成為第一層子節點。具體流程如圖5所示，首先節點的應用層發出網絡掃描命令，網絡層通過MAC層進行在設定頻率點上的信號監測，MAC層通過分析返回頻率點上的情況，網絡層給出頻點上的網絡列表；其次應用層選擇網絡加入，網絡層通過MAC層發出請求信號，協調器MAC層接收到來之節點的請求信號，返回給協調器；最后協調器分配給節點16位ID地址，通過MAC層輸出相應信息，子節點收到信息后，以分配的16位數據地址作為自己的ID號，節點加入網絡過程結束。

在第一層子節點完成網絡的接入后，系統中其余未加入網絡的節點可以通過已經加入網絡的節點接入網絡，以此類推，網絡中的其余節點依次加入網絡中。

3）監測數據處理

對于監測節點的監測信息，采用定時發送方式。各監測節點每5分鐘巡檢一次，監測數據包含壓力、溫度信息以及節點的電池電量信息，為保證節點的電量，其余時間節點處于休眠狀態。對于節點的監測數據，采用Zigbee標準的MSG幀格式進行打包處理，MSG幀中包含數據長度和數據構成，根據系統的需要數據中包含采集數據、采集時間、腳本和數據請求四種數據。在實際傳輸過程中，各節點通過相鄰的節點將數據傳遞出去，最終到達網關協調器。通過網關的數據拆分和處理，將數據轉換為標準的MODBUS格式的數據包，供總線上的顯示和處理結點使用。

3 結束語

對于工廠供氣監測系統，由于廠區的分散性，使用ZigBee技術構建的Mesh網絡很適合實際需要。在實際應用中，ZigBee網絡具有可靠性和穩定性較高的特點，同時抗干擾能力較強，對于工業應用較為適合。該方式在輸氣、輸油管網的監測中，可以廣泛的應用。

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