ZigBee無線傳感網絡在電解槽監測中的應用研究

熊 琰，李秦偉

(貴州大學 計算機科學與信息學院，貴州 貴陽550025)

槽電壓和槽溫度是鋁電解生產過程的重要參數，這兩種參數監測水平的高低對生產有著舉足輕重的意義。了解整個電解槽中各點的溫度、電壓、電流的分布監測數據對研究人員了解電解槽的工作情況以及工程師改進電解槽的設計都有著指導作用。由于電解槽監測系統的實現需要大量的傳感設備和通信設備，使用有線通信網絡會產生布線復雜，維護不便等問題，造成工業現場布線的混亂。因此，借助無線通信對現場槽況進行實時的監測和分析，無疑是很有價值的。開發低成本、低功耗的無線數據采集系統已成為迫切需求。

1 ZigBee無線傳感器網絡

ZigBee[1]是一種新興的無線傳感器網絡標準，具有低功耗、低復雜度等特點，適用于網點多、體積小、傳輸數據量小、功耗低等場合。正是由于ZigBee的這些優點，基于ZigBee標準的無線傳感器網絡應用越來越受到重視，已在工業控制、環境監測、醫療健康、智能建筑等領域占有一席之地。將無線ZigBee技術用于電解槽監測系統，能很大程度地提高研究人員和工程師對電解槽槽況的了解，在此基礎上更好地改進電解槽的設計，提高電解生產自動化水平。

1.1 無線傳感器的結構

如圖1所示，無線傳感器的基本結構分為4部分[2]：(1)傳感器模塊，包括傳感器、放大和濾波電路、A/D轉換裝置。傳感器根據需要采集信息，因為傳感器采集到的信息大部分是模擬量，一般還需要進行放大和濾波處理。為了實現無線傳輸，還需要A/D裝置把模擬量轉換為數字量。(2)處理器模塊，負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據，是節點的核心部分。(3)無線通信模塊，負責與其他傳感器節點間的無線通信，交換控制消息和收發采集數據，是整個節點最耗能的部分。(4)能量供應模塊，為傳感器節點提供運行所需的能量。

圖1 無線傳感器結構框圖

1.2 ZigBee支持的拓撲結構和設備類型

1個ZigBee子網最多可包括255個ZigBee網絡節點[3]，其中一個是主控(master)設備，其余則是從屬(slave)設備。若是通過協調器，整個網絡可以支持超過65 000個ZigBee網絡節點。通過無線傳感器網絡，數據從一個節點傳到另一個節點，最終送到控制中心。

ZigBee技術可以支持星型、樹型和對等網(Peer to Peer)拓撲結構，如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡拓撲結構

圖2中包括兩種不同類型的設備——全功能設備（FFD）和簡化功能設備(RFD)。FFD可以與其他的 FFD或RFD通信，RFD只能與FFD通信，RFD之間不能直接通信。所以，實際運用中的ZigBee網絡至少包含一個全功能設備作為網絡協調器，終端設備一般采用RFD。FFD可以廣播方式的發布信息給RFD。

2 基于ZigBee的電解槽監測系統設計

本系統研究目標在于設計一個基于ZigBee的電解槽實時數據采集檢測系統，實現電解槽內多個點的傳感數據的同步更新。監測系統利用ZigBee技術組建的無線傳感器網絡來完成電解槽內各點的電壓、溫度的測量。各節點均由傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊和能量供應模塊組成，以完成數據的采集和發送。終端分別置于電解槽的立柱、母線等需要測量的節點。傳感器模塊完成對電壓和溫度信號的采集，由數據處理和無線發送部分將數據發送出去，經中心節點匯集后通過串口輸入到上位機，最后在上位機上實時地顯示電解槽電壓和溫度數據并保存。

系統組成如圖3所示。系統采用星型結構。在各節點(RFD)通過溫度和電壓傳感器進行采樣，以ZigBee協議發送至匯聚節點(FFD)，匯聚節點匯總數據傳送至上位機。

圖3 系統組成

2.1 系統對ZigBee模塊的功能要求

系統中的ZigBee中心節點模塊和終端模塊都具有無線收發功能[4]，且需要利用LED指示燈來指示網絡工作狀態。不同的是，ZigBee中心節點模塊是直接與上位機連接，外圍接口除RS-232、RS-485接口外，還擴展了LCD顯示接口、可編程按鍵等，以滿足簡單信息顯示、網絡狀態指示等功能。為了滿足上述監測系統的功能需求，可以設計出專用的低成本、低時延、低功耗、多功能和高可靠性的ZigBee模塊。圖4為ZigBee模塊的功能框圖。

圖4 基于ZigBee模塊的電解槽監測系統功能框圖

2.2 ZigBee無線網絡部分

整個ZigBee網絡基于Z-Stack協議棧[5]。無線網絡的開發平臺是IAR Embedded Workbench 7.51A，開發語言為C語言。因為ZigBee無線網絡模式為星型網絡，需要在Nwk_globas.h中設置相關參數：

另外還要設置各個采集節點的節點編號來完成網絡的搭建。ZigBee中心模塊在系統中承擔著系統初始化的作用，不僅僅需要把從終端節點接收到的數據傳輸給上位機，同時還具備控制網絡組建和節點入網的功能。控制網絡包括控制入網節點和相應權限。根據終端節點提供的信標判斷是否允許其入網并分配網絡地址。圖5為ZigBee中心模塊工作流程圖。ZigBee終端節點經過初始化掃描信道加入網絡之后,接收被分配的網絡地址，開始定時讀取采集數據并通過串口發送至上位機。

2.3 ZigBee芯片要求

在本設計中，要求芯片在通信容量、通信時延、通信可靠性、能量損耗上都能夠很好地滿足工業環境監測系統的需求。這里采用一個典型的ZigBee芯片CC2530[6]，CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee標準芯片，可廣泛應用在2.4 GHz IEEE802.15.4系統、RF4CE遙控系統、ZigBee系統、家庭/建筑物自動化、照明系統及工業控制和監視中。該芯片有以下特點：

（1）ZigBee標準 2.4G收發器， 支持 802.15.4、Zig-Bee2007、ZigBee PRO和 ZigBeeRF4CE標準；

（2）增強型 8051微控制器；

（3）32/64/128/256 KB 內存，8 KB RAM；

（4）AES加密協處理器；

（5）最大輸出功率 10 dBm；

圖5 ZigBee中心模塊工作流程圖

（6）接收靈敏度-97 dBm；

（7）低功耗：0.4 μA。

本系統中的節點模塊以上述要求中的ZigBee芯片為核心，具有無線收發功能。其中中心節點通過RS-485接口與監測裝置連接，實現與上位機通信的目的。

隨著目前對無線傳感器網絡的深入研究，基于無線技術的監測系統在工業領域越來越受到關注。它不僅可以解決有線帶來的布線麻煩、維護不便等問題，同時還代表著工業自動化的發展方向。本設計采用ZigBee無線自組網技術，可以實現同一電解槽內多點的數據采集。使用較低的投資和使用成本就能實現對電解生產的實時環境監測，具有很高的實用性。

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]屈利華，趙春江，楊信廷，等.ZigBee無線傳感器網絡在溫室多源數據采集系統中的應用綜述[J].中國農機化，2012(4)：179-183.

[3]AKYILDIZ I，SUW C.Wireless sesor networks：a survey[J].Computer Networks，2002，38(3)：393-422.

[4]劉玉芳.基于ZigBee技術鋁電解車間多參數檢測系統設計與實現[D].長沙：湖南大學，2010.

[5]何杏宇，張浩，彭道剛.ZigBee技術在工業環境監測系統中的應用研究[J].機電一體化，2008(7)：34-37.

[6]林健.基于無線傳感器網絡數據采集平臺的實際與實現[D].北京：北京林業大學，2012.