基于ZigBee的無線暗燈控制系統的設計與實現

莫太平，張云強，周園園，趙佩斯

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，桂林 541004）

Andon（暗燈）系統最早起源于日本豐田汽車公司，用來實現“立即暫停制度”，即時解決質量問題，而不是下線后返修，以達到持續高品質生產汽車[1-2]。一般企業的生產線都有幾十甚至更多的工位，如果其中任何一個工位出現了故障，就必須要停止整條生產線。同時，生產過程中還會遇到工位物料供應不及時等問題。目前市場上的Andon系統設備大多為有線設備，這樣的設備在實際設備安裝過程中布線復雜，甚至嚴重受到環境的制約而不能合理布線，布線帶來的線材成本也會增加，維護工作極其繁瑣。

本文為了解決企業所面臨的上述問題，提出了一套以ZigBee為無線傳輸方式，以PLC為主控設備，以搭載CC2530及ATmega64芯片的硬件電路為從控單元，同時還具備LED看板或監控電腦同步顯示生產信息的系統性解決方案。通過生產線上的工位按鍵操作，可以在LED看板及監控電腦上看到工位的生產信息，以便班組長及時處理生產中出現的各種問題。

1 系統總體設計

系統是以ZigBee技術為基礎，集合PLC數據采集與維護，嵌入式系統信號采集與處理，報警指示燈和人機界面數據輸出的適應于工業生產環境的實時暗燈系統。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構Fig.1 General structure diagram of system

企業生產線工人在生產過程中遇到問題按下與從站連接的按鈕盒按鈕，其信息數據將通過從站發至主站再經PLC處理，PLC將處理數據發至監控電腦和主站，監控電腦接收到數據后會顯示到軟件界面及LED看板，同時連接監控電腦的音箱發出報警音樂；主站接收到數據后發至目的從站，再由從站點亮相應按扭燈并將數據發至燈塔，點亮燈塔相應指示燈。此時，在監控端的班組長發現問題后及時趕赴對應工位協助解決問題，在問題得到解決后，生產線工人再次按下按鈕盒的按鍵，取消相應問題信息在LED看板的顯示并滅掉燈塔指示燈。

本文設計的無線暗燈控制系統具有以下特點：

（1）該系統所采用的ZigBee無線傳輸技術具有低功耗、低成本、網絡容量大、時延短、網絡的自組織性強、通信可靠的特點[3]。相對于其他無線技術，該技術極大地降低了硬件成本，同時增強了系統的實時性及可靠性；

（2）可靠性對于生產企業至關重要，PLC是為工業生產而專門設計出來的控制裝置，具有比普通計算機更可靠的硬件，同時它有著更精簡化的編程語言，極大地降低了開發成本；

（3）監控終端采用VS2010平臺提供的WCF服務技術進行應用程序接口開發，使開發成本得以降低。監控終端界面采用WPF技術進行開發，使得操作界面更加友好、簡潔，用戶體驗得到顯著提升。

2 通信方式選擇與實現

目前主流的近距離無線通信技術主要有Bluetooth（藍牙）、WiFi、NFC、ZigBee等。 它們都有其主導市場的特點，或是基于安全性、可靠性的考量；或是著眼于組網的靈活性、可擴展性；或是符合某些特殊環境的要求；或是建立同品類競爭技術的差異化等。根據企業生產需求，結合該無線暗燈設計原理，采用ZigBee無線通信技術作為系統主從設備的通信方式。該系統所采用的CC2530芯片包含一個數據包過濾和地址識別模塊，這符合系統點對點發送模式及發送協議數據的要求，同時因其功耗低、網絡容量大、工作頻段靈活等特點而選擇了此項技術作為無線通信方式。該系統設計的ZigBee模塊擁有16個信道可選，4092個網絡ID可任意設置；調制方式選用DSSS擴頻技術；頻率設定為2.450 GHz；最大視距傳輸距離800 m；具備中繼路由和終端設備功能。

該系統主站設備采用RS232接口，主站與PLC通信使用Profibus-DP轉RS232模塊作為總線橋，PLC與監控終端通信選用RJ45雙絞線作為通信方式。

3 系統設計與實現

3.1 基于C#的應用軟件設計

該系統監控終端使用C#語言進行軟件開發。C#是微軟公司發布的一種面向對象的、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言。C#是一種安全的、穩定的、簡單的，由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言[4]。開發平臺選擇微軟推出的WPF（windows presentation foundation）， 開發環境選用Visual Studio 2010。WPF開發平臺提供統一的編程模型及框架，并且真正做到了分離前臺界面開發與后臺邏輯開發人員的工作[5]，能夠快速提供更好的視覺效果、獨特的用戶體驗。軟件界面如圖2所示。

圖2 軟件界面Fig.2 Interface of software

軟件界面主要分為基礎數據操作模塊和暗燈報表操作模塊。基礎數據操作模塊主要是錄入生產過程中的一些相關信息，圖2所示為暗燈采集器的增加操作，主要完成對于OPC信息的錄入工作，包括采集器的編號、名稱、物理地址和添加一項自定義的描述。基礎數據操作模塊的各個信息錄入子模塊都有增加、修改和刪除功能，其中工位管理和暗燈事件模塊有查詢功能。暗燈報表操作模塊則是對于硬件采集信息數據的分析匯總，暗燈報表操作模塊包括：前N位停線工位子模塊、暗燈期報子模塊、分類暗燈期報子模塊、停線比重分析子模塊。這些子模塊對硬件上傳數據進行統計分析，得出具有科學依據和指導意義的分類生產報告，為用戶提供便捷的查詢及導出Excel表格服務。

3.2 主站從站的硬件設計

3.2.1 主站從站的硬件電路設計

該系統所設計的主站和從站硬件電路和功能相似，所不同的是主站具有和PLC串口通信功能，從站有本機地址配置功能及連接燈塔和按鍵的信號輸出端口。主站由ATmega64芯片作為主控單元，CC2530芯片電路作為ZigBee的收發電路模塊，以及與PLC通信的RS232串行接口模塊和撥碼盤電路模塊構成，其設計框圖如圖3所示。

圖3 主站設計框圖Fig.3 Design diagram of host

（1）ZigBee收發電路模塊。該電路主要由順舟科技的SZ05模塊和74AHC04六位反相器組成。該模塊主要負責與從站設備進行數據交互。串口接收到的數據經過處理后就會通過ZigBee模塊發送至從站，通過ZigBee模塊接收到的數據經過處理后發送至串口。

（2）串口收發模塊。主要實現主站與PLC之間的數據交互，通過RS232接口線連接到Profibus-DP轉RS232模塊實現與PLC的通信。PLC是整個系統的處理中心。

（3）撥碼盤電路模塊。主要實現在主站處于配置狀態時，通過撥碼盤輸入來選擇某一特定的網絡號。

3.2.2 主站從站的實物介紹

燈塔部分由從站電路和燈塔構成，接收從站數據點亮相應指示燈。由于主站實物與從站實物的區別在于主站比從站少了本機地址撥碼盤，故為全面介紹實物功能以從站實物圖說明，從站實物圖如圖4所示，從站指示燈組對照圖如圖5所示。

圖4 從站實物圖Fig.4 Photo of extension

圖5 指示燈對照圖Fig.5 Comparison diagram of lights

（1）網絡地址撥碼開關。1位，可撥范圍0-F，用于設定站點所屬的網絡。可在斷電或者上電情況下進行撥碼，變動后配置燈閃爍進行地址配置，配置燈滅即表示站點網絡ID配置結束，可正常工作。

（2）本機地址撥碼開關。3位，可撥范圍001-FFF（800除外），用于設定站點的地址。可在斷電或者上電情況下進行撥碼，變動后配置燈閃爍進行地址配置，配置燈滅即表示站點地址配置結束，可正常工作。

從站本機地址為001-7FF，與其對應的燈塔地址為801-FFF。如：從站001對應燈塔801，101對應燈塔地址901；撥碼開關從左往右依次是高中低3位地址。

3.3 主站工作流程

主站設備主要承載與從站和PLC通信的工作，其工作流程如圖6所示。單片機進行一系列初始化操作后，閃爍指示燈組左右側綠燈表示正常工作。隨后會根據3個不同的中斷信號進行相關的處理，串口1中斷后置UART1_FLAG為1，主程序根據標志位是否為1來進行ZigBee數據的接收、處理，最終將處理數據通過串口發送至PLC；串口0中斷后置UART0_FLAG為1，主程序判斷后接收、處理串口數據然后通過ZigBee模塊轉發至目標從機；定時中斷為10 ms定時檢測，判斷配置按鍵是否按下，如果按鍵按下則置INPUT_FLAG為1，對主機進行重新配置。

圖6 主站程序流程Fig.6 Program flow chart of host

3.4 通信協議的設計

為了能夠在ZigBee無線網絡中實現有序的通信，需要制定合理、安全的通信協議，該系統所制定的通信協議格式如表1所示。

表1 系統通信協議格式Tab.1 Communication protocol format of system

每組數據幀都以“0x3A”作為幀頭，用“0x0D（回車）”作為幀尾。本機地址為硬件設備的MAC地址，主機地址為固定地址，分機地址可用撥碼盤修改。工位地址用16進制表示生產線工位地址，如：0x1A轉成10進制為26則表示第26個工位；命令字共有4條，分別是：0x10遙控發送至主站；0x20主站發送至遙控；0x30遙控發送至燈塔；0x40主站發送至PLC。有效數據長度為1字節，在幀格式中用16進制0x01表示；數據內容以位來表示工位暗燈的狀態，如0x1A表示8個暗燈的狀態為00011010（1表示燈亮，0表示燈滅）；校驗位為從本機地址到數據部分的順序異或計算值；在數據封裝完畢后，還需要在整個數據前添加目標設備的MAC地址，以便數據能夠準確地送達目的設備。SZ05模塊包含一個數據包過濾和地址識別模塊，在收到完整數據后會將系統需要的數據幀傳入主控芯片。

4 結語

現代企業生產普遍面臨著巨大的競爭壓力，在這種巨大的競爭壓力下，企業生產線所暴露出來的問題就顯得格外棘手，甚至成為了企業發展的瓶頸。為了能夠盡可能地提高生產效率，就必須要采取降低生產線停工幾率等措施。本文設計的基于ZigBee的無線暗燈控制系統，即為解決企業生產所遇到的問題而設計。經過實際推廣應用，該系統能夠卓有成效地解決企業生產線工位物料供應、產品質量等問題，提高了企業的生產效率，降低了次品率。

[1]卜東飛.汽車制造業Andon系統[J].汽車與配件，2013（2）：48-49.

[2]卜東飛.Andon系統在汽車總裝廠的應用[J].汽車工藝與材料，2012（12）：22-24.

[3]郭威.基于ZigBee的無線智能路燈系統研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[4] 張敬普，丁士鋒.C#5.0與.NET 4.5高級編程-LINQ、WCF、WPF和WF[M].北京：清華大學出版社，2014：570-741.

[5]劉鐵猛.深入淺出WPF[M].北京：中國水利水電出版社，2010.