基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統

劉玉超

隨著網絡技術的飛速發展，基于ZigBee無線網絡技術因具有自我修復、易維護、成本低等特點，被廣泛應用在信息傳輸領域，尤其在SCS系統中的應用，可明顯提高系統性能。本文從硬件及軟件兩方面對基于ZigBee無線網絡技術自動化控制系統進行探討，為自動化控制系統功能的順利實現提供參考。

【關鍵詞】ZigBee無線網絡技術 自動化控制 系統 研究

Zigbee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據、和低反應時間數據傳輸的作用。在工業控制、智能農業、醫療護理、家庭自動化和遠程控制等領域有著充分的應用和廣闊的前景。

基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統無論硬件還是軟件涉及很多模塊，其中發射模塊與接收模塊是整個系統的重要組成部分，注重對其進行研究，對更好的實現ZigBee無線網絡技術自動化控制具有重要意義。

1 基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統硬件研究

1.1 發射模塊硬件

系統發射模塊負責將傳感器傳輸的4～20mA標準電流信號轉化成電磁波，而后進行發射。發射模塊包括I/V變換電路、零點遷移電路、單片機等，其中I/V變換電路用于實現將4～20mA電流信號向1～5V標準電流信號的轉變；零點遷移電路對1～5V標準電流信號進行零點遷移處理，形成0～4V的電壓，以防止A/D轉換器資源的浪費；單片機一方面借助I/O對傳感器的測量數據進行讀取，另一方面，借助SPI接口和下位機射頻芯片進行通訊。

本文探討的I/V為無源I/V變換，功能主要借助無源器件電阻實現，同時，進行輸出限幅及濾波處理等。當輸入信號電流為0～10mA范圍時，通過調節電路中精密電阻阻值，實現對輸出電壓的調節。同樣道理將4～20mA輸入電流信號轉換成1～5V輸出。零點遷移電路目的在于實現測量信號的零點調整，電路圖如圖1所示。

單片機擁有很多系統功能，不僅使得其工作性能得以明顯提高，而且減少元件應用數目，節約系統及電路面積成本。如增強型UART具備自動地址檢測、幀錯誤檢測、間隔檢測等多種功能；選擇片擁有的高精度RC振蕩器并不需要外接振蕩器，而且可靈活調節工作頻率。

1.2 接收模塊硬件

基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統的接收模塊，由V/I轉換電路、D/A轉換器、單片機及射頻芯片構成。其中V/I轉化器是電路的重要元件，以AD694轉換器為例，電壓輸入范圍有0～2V、0～10V之分，輸出電流范圍包括4～20mA、0～20mA，輸出程控電流時可與電流輸出型D/A轉換器配合使用，兼具超限報警、開路功能。另外，受輸入、輸出范圍影響具備的引腳接線有所區別；D/A轉換器和單片機的SPI接口相連，如TLV5617轉換器與單片機的SCK、MOSI相連。另外，為獲得較好的電磁兼容性能，應特別注意繪制良好的PCB，尤其應注重以下內容：首先，在參考印制線路板電流大小影響的基礎上，為減小環路電阻，應將電源線寬度適當加粗，并保證地線、電源線走向和數據傳輸方向相同，以提高其抗噪性能。其次，各集成電路芯片電源輸入腳增加適當大小的濾波電容，并和芯片管腳相靠近。最后，考慮到晶振是高頻器件，其他信號線應與其保持足夠距離。另外，為減小寄生耦合需相互斜交、垂直焊接面與元件面。

2 基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統軟件研究

基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統各項功能的實現，除需硬件支撐外，還需有完善的軟件系統支持。

2.1 發射模塊軟件

發射模塊的軟件程序包括初始化程序、寄存器配置程序、發射端程序等。其中初始化程序包括單片機I/O口的配置、SPI寄存器初始化、看門狗的關閉等。單片機I/O口模式有配置寄存器決定，除三個特殊的I/O管腳，以管腳為單位，可使用軟件對其他管腳的輸出類型進行配置。輸出類型包括僅為輸入、開漏輸出、推挽、準雙向口四種類型；SPI寄存器包括主模式、從模式兩種模式，具有寫沖突、傳輸完成標志保護功能。以LPC935SPI為例，其包括SS、MISO、MOSI、SPICLK四個管腳，以及SPDAT數據寄存器、SPSTAT狀態寄存器、SPCTL控制寄存器，配置代碼為：MOV SPCTL，#0DCH；看門狗定時器借助系統可通過上電復位，實現其從錯誤代碼操作中的恢復：配置代碼為：

MOV A，WDCON

CLR ACC.2

MOV WDCON，A

射頻芯片借助SPI兼容接口進行配置，該接口具備讀與寫緩存數據功能的雙重功能。SPI接口對數據與地址進行轉換時，CSn腳應處于低電平狀態，否則取消轉換。當CSn變低時，頭字節開始轉換前，MCU需等待至SO腳變低，即，電壓調節器已處于穩定狀態，晶體處于正常運作中。當對寄存器進行寫操作時，每當待寫入的數據字節傳輸到SI腳時，狀態字節會被傳送至SO腳。另外，為提高連續地質寄存器的訪問效率，應注重在地址頭部設置突發位。不過，不管是讀訪問還是寫訪問，其終止均應溝通過設置CSn為高實現。寄存器由命令濾波、狀態寄存器、配置寄存器之分，但對寄存器進行配置時應先將射頻芯片開啟。以CC1100為例，部分開啟程序為：

POWER_UP_RESET_CC1100：

SETB P2.4

CLR P2.4

SETB P2.4

MOV R1，#05H

...

RESET_CC1100：CLR P2.4

MOV SPDAT，#030H

SETB P2.4

RET

無線發射模塊電能有電池提供，為實現其使用壽命的進一步延長，應使系統工作時間盡可能減少，即，非工作時應處于睡眠狀態。同時，考慮到自動控制系統參數變化不夠迅速，可考慮定間隔進行數據測量。發射端主程序流程如圖2所示。

2.2 接收模塊軟件

射頻芯片具備可選的在特定可控時間之后，實現接受自動終止功能，即射頻芯片并非總是處于接收模式等待數據，而是從休眠狀態周期性激活，實現對數據信號的偵測。如LPC935休眠時被射頻芯片激活。當射頻芯片成功對數據包同步詞匯進行偵測時，便將外部中斷信號發送給LPC935。LPC935對中斷信號做出相應后，對Receive（）函數加以調用，當數據被被接收，地址無誤后，將應答包發射給發射端，表明已經成功接收到數據。當接收端完成數據接收任務后，并進行休眠狀態，直到下次數據信號到來才被激活。

3 結論

Zigbee技術具有功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、可靠性強的特點與優勢，研究基于ZigBee無線網絡技術的自動化控制系統，對zigbee技術實際應用的實現具有重要意義，但因涉及的專業知識較多，為保證整個系統的正常工作，應結合具體的功能要求做好硬件、軟件的規劃與設計。本文通過對基于ZigBee無線網絡技術自動化控制系統的研究得出以下結論：

（1）硬件是ZigBee無線網絡技術自動化控制系統相關功能實現的基礎，因此，結合具體需求選擇性能優良的硬件，發射模塊應注重微控制器、射頻芯片以及I/V變換電路、零點遷移電路的合理設計。接收模塊硬件設計時尤其應將重點放在D/A轉換器、V/I轉換器的選擇上，結合系統要求選擇合適信號。

（2）軟件在ZigBee無線網絡技術自動化控制系統中發揮至關重要的作用，發射模塊軟件設計時應注重程序初始化、射頻芯片初始化的的設計。接收模塊軟件應從整體上進行設計，確保設計的合理性、實用性。

參考文獻

[1]俞建.基于ZigBee無線傳感網絡的LED智能照明控制系統的研究[D].浙江工業大學，2012.

[2]李現輝.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡環境監控系統[D].鄭州大學，2013.

作者單位

昆明船舶設備研究試驗中心 云南省昆明市 650051