Zigbee在工業現場無線通信中的應用

許佳　張明珊　謝廣濤

【摘要】 Zigbee具有的低功耗、低成本、自組網等特點非常適用于工業現場無線通信。基于Zigbee模塊的通信電路，在ISM頻段的2.4GHz，能夠在高密度鋼結構建筑中（煉油裝置）實現100米以內的可靠通信，結合電源控制和Zigbee模塊的休眠/喚醒技術，一次充電能滿足單個節點一年以上的工作周期。

【關鍵詞】 Zigbee 工業現場 無線通信

一、工業現場無線通信

無線通信技術在具有高溫、腐蝕、電磁干擾、易燃易爆等特性的工業現場中應用難度較大。當前常見的工業無線通信技術有：（1）Zigbee：底層采用 IEEE 802.15.4 標準規范的媒體訪問層與物理層，適用于低速短距離傳輸。其主要特色有：低功耗、低成本、低速率、自組網、多種網絡拓撲、低復雜度、安全可靠[1]。（2）Wi-Fi：基于IEEE802.11，可實現小范圍（室內50～80m2）的高速率（54Mbps）無線通信。但Wi-Fi必有接入點才能組網，從而使通信距離受限，且因耗電量大而只能有線供電。同時，高能耗引起較高的表面溫升易造成安全隱患。（3）藍牙： Bluetooth可實現近距離（低功率10米，大功率100米）點對點的設備連接，組網應用較少。

二、Zigbee的組網

每臺Zigbee設備既可以作為終端節點（End-device），也可以作為路由器（Router），或者以協調器（Co-ordinator）的功能使用[2]。Zigbee設備會自動尋找最為合適的路由，保證通信鏈路的暢通，最多可以組網65536臺設備。

Zigbee的網絡拓撲主要有三種形式：星形、樹形、網格形。圖1為兼具星形和樹形拓撲的優點的網格形拓撲，能使通信暢通并更有效率，適合現場使用。

圖1 Zigbee網格形拓撲結構圖

三、Zigbee的產品應用

煉化企業屬于典型的工業生產環境：電磁干擾，易燃易爆，高密度金屬建筑結構，并且有腐蝕性氣、液體等。在這樣的環境中，有線的方式建設周期長，成本高，檢維修難度大，網絡拓撲結構不靈活，尤其對于一些高溫、有毒、不易到達的高處更是如此，而無線通信的方式可以完美解決這類問題。

自動定點測厚系統就是在充分研究煉化企業工作環境的特殊性的基礎上，為滿足大量壓力容器管道壁厚測量的要求而開發出來的高新技術產品。該系統由探頭、無線變送器、網關、上位機等組成。其中的無線變送器核心技術就是Zigbee。本方案使用美國CEL公司的MeshConnect模塊。該模塊的集成度高，元件數量少，可以有效降低功率消耗。基于該模塊的外圍電路主要完成對模塊的供電、控制、射頻信號的匹配、數據采集計算存儲等功能。

圖2 通信距離與環境的關系

本方案使用2.4GHz的頻段，經測試，在空曠地帶，視距傳輸能夠達到600米，高密度的辦公區域，可以到60米，而在煉油裝置中，100米以內能夠實現可靠通信。

基于Zigbee的在線自動定點測厚系統，已在煉化企業成功安裝700多個測點，所使用的網絡拓撲都是網格形的，從實際效果來看，除卻硬件故障和電池壽命（電池≥1年）的原因，各測點通信狀況良好，可保證所有測點永遠在線。

圖3 現場實施照片

四、總結

Zigbee的低功耗、組網自由是其最為實用的技術亮點，較低的成本和相對完善的供應鏈使其更容易實現針對性的開發應用，而從實際的使用效果來看，煉化企業復雜且高危的環境對其來說也無任何難度，因此，Zigbee在工業現場的應用可謂前景廣闊。未來，智能化和模塊化將會是一個發展趨勢，其結果，必然使得Zigbee以更低的成本和更高的性能深入到工業領域的各種無線通信的應用中去，為工業現場無線通信，乃至物聯網的無線通信的發展起到舉足輕重的作用。