ZigBee在工業物聯網實訓中的應用

陳革維

(深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055)

·實習與實訓·

ZigBee在工業物聯網實訓中的應用

陳革維

(深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055)

為推進工業物聯網實踐教學的建設，在機電一體化實訓設備的基礎上，開發了基于ZigBee無線通信技術的工業物聯網實訓方案。該實訓方案以Micro FMS50柔性制造系統為基礎，以點對點和點對多點硬件網絡為載體，使學生通過典型案例的實驗，掌握工業物聯網構建的基本技能與應用技巧，適用于工廠自動化制造與運輸領域。針對培養工業物聯網應用型技術人才，實訓方案涉及無線通信技術、單片機技術、可編程控制器技術、氣動控制技術與電氣控制技術等知識。通過實踐研究，證實該實訓方案使實驗具有更大程度上的拓展性，為學生的進一步創新設計提供了一個開放的實驗平臺。

工業物聯網； ZigBee； 無線通信； 實訓

0 引 言

物聯網是國家五大新興戰略性產業之一，工業物聯網是現代工業工程的先進領域，對我國制造業的發展至關重要[1]。實踐教學是高等教育的重要教學模式，在工科領域的教學研究開展得尤為深入[2-4]。對高等職業教育而言，實踐教學尤其重要,是工業物聯網技術教學的最有效的方式之一。由于工業物聯網需要監控移動的物理對象，無線通信技術是組建工業物聯網的重要技術支撐。如何將無線通信技術與工業物聯網的實際應用相結合，是設計工業物聯網實訓方案的切入點和關鍵點。

在新興的無線通信技術中，ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術，適用于傳感及控制領域。作為廣義物聯網的一個重要應用領域，工業物聯網在結構上同樣包括感知層、網絡層、應用層3個層次[5]，是由嵌入了電子元件、傳感器以及軟件的物理對象組成的網絡。由于高等職業教育側重于培養工業生產一線應用型技術人才，故工業物聯網實訓方案應當側重于感知層與網絡層的構建與應用。將ZigBee技術應用于工業物聯網實踐教學中，可以依托高校已有的機電控制實訓設備，簡單快捷地設計各種實訓方案，同時相對其他無線通信模塊，ZigBee模塊具有商業化程度高，選擇多樣化，成本低廉的優勢。

設計、構建與優化工業物聯網是工業工程的重要任務。目前國內各大高等院校相繼開設了物聯網及工業物聯網的相關課程，并大力進行課程建設。但是對于不少高校而言，由于實訓設備的缺乏與不配套，使課程教學中偏重理論教學，實踐教學過于簡單，學生缺乏對實際應用的直觀感受，教學效果難以達到理想的程度。教學實踐和研究表明，在已有實訓設備的基礎上開發新的實訓方案是相對便利可行的途徑[6-8]。通過與理論教學配套設計的實訓課程訓練，學生才能更容易和有效地掌握工業物聯網及其相關技術的知識要點，包括無線傳感器網絡技術、現場總線技術等。目前創新型人才培養得到極大的重視，相關教學研究得到了推廣[9-11]，為推進工業物聯網實踐教學的建設，本文利用現有的機電控制實訓設備，開發基于ZigBee技術的工業物聯網實訓方案，并為學生進一步創新設計提供一個開放的實驗平臺。

1 實訓系統的組成

ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，ZigBee芯片將無線通信功能與微控制器集成為一體。由模塊組成的ZigBee網絡主要用于工業現場自動化控制數據的傳輸，使用簡單方便，工作可靠性較高，適用于自動控制領域。各種ZigBee模塊可以嵌入機電控制設備中，其信號傳輸范圍通常介于10～100 m之間，信號響應速度快，可以實現對運動物體的監控。從上述特性可以看出，ZigBee是一種易于與機電設備相融合的低成本、低功耗的近距離無線通信組網技術，可應用于制造業領域，因此適合于構建工業物聯網[12-14]。與制造業傳統的現場總線網絡相比，ZigBee網絡在自動化制造與智能物料傳輸方面具有更大的柔性[15]。目前國內可以購買到不同國家生產的多種ZigBee模塊，實訓方案中選擇的ZM-DEMO模塊如圖1所示。

實訓場景建立在Micro FMS50柔性制造系統的基礎上，該柔性制造系統由10個工作站、1個產品傳輸系統以及2臺CNC機床等單元組成。產品傳輸系統包括移動托盤、傳送帶、擋塊等執行部件以及光電傳感器等傳感元件，它具有傳輸工件和聯結10個工作站的功能；10個工作站包括供料站、檢測站、加工站、自動存取系統等；2臺CNC機床分別為車床和銑床。Micro FMS50柔性制造系統的控制主要采用現場總線技術和可編程控制器技術，與其他相關技術為基礎的網絡實驗平臺相比[16]，在其基礎上應用ZigBee技術設計工業物聯網實訓方案，可以綜合運用無線通信、單片機、氣動控制與電氣控制技術，并使學生在實訓過程中涉及到Profibus現場總線、機器人、機械設計、過程控制等技術。Micro FMS50柔性制造系統如圖2所示。

圖1 ZM-DEMO模塊

圖2 Micro FMS50柔性制造系統

2 實訓方案設計

從結構上而言，在工業物聯網中作為應用基礎的感知層包含傳感器、執行器、智能裝置等；網絡層則包含基礎網絡、延伸網絡、物聯網網關等。在掌握上述知識點的基礎上，實訓方案包括利用ZigBee模塊建立點對點以及點對多點硬件網絡等。實現點對點無線信號傳輸是利用無線通信技術建立工業物聯網的基本技能。

2.1 點對點網絡

基于ZigBee模塊的點對點硬件網絡如圖3所示。

圖3 點對點網絡

由于ZigBee的信號傳輸速率定義為250 Kbit/s，它適合于傳感器等裝置之間的無線信號傳輸。ZigBee模塊的低功耗限制了其信號的目視傳輸距離在10～100 m之間，具體取決于信號輸出功率和周邊環境特征。同時ZigBee模塊也可以通過中間裝置構成的網絡來長距離傳輸信號。在掌握上述知識點后，產品傳輸系統的移動托盤被選擇為實驗對象。

在實驗中，移動托盤的任務是沿著傳送帶軌道移動并感應經過的信號點，目標是在最短的時間內檢測到最多的信號點以及如何在規定的時間內檢測到所有的信號點。

實驗前，學生需要將ZM-DEMO模塊安裝在移動托盤上，設置并調試傳感器。重要工作是設置兩個ZigBee模塊的無線通訊參數，測試硬件通信效果。終端節點的硬件和軟件程序必須由學生進行設計。

通過實驗，學生應當掌握各個部件的功能和知識點，包括傳感器、單片機、ZigBee等。如單片機嵌入在模塊中的方式；移動托盤的運動由傳送帶控制，而傳送帶由可編程控制器控制等。學生還可以利用不同原理的傳感器來檢測信號點。

實驗包括硬件調試和軟件設計兩個部分，硬件調試的主要內容是優化通信效果，如無線信號的穩定性和有效性；軟件設計的內容則是完成任務目標和盡可能地縮短工作時間。

點對點網絡實驗的其他實驗對象是工作站，工作站共有10個，其中提取站實驗方案設計為：任務之一是檢測工作部件的位置與工作狀態，如機械手等；另一任務是控制工作部件的運動。實驗的目的是利用ZigBee模塊實現工作部件的實時監控。

實驗前，學生應當掌握提取站的工作流程。工作流程①是判定托盤上是否有工件；②如果托盤上有工件，機械手夾取工件并按照線路運動至下一位置；③工件放置于終端，機械手按照線路返回。通過實驗，學生應當掌握提取站各個部件的功能和知識點，包括位置傳感器、電磁閥以及氣缸控制原理，如工作部件由氣缸驅動，氣缸則由電磁閥控制等。實驗同樣包括硬件調試和軟件設計兩個部分。

2.2 點對多點網絡

與點對點網絡實驗不同，點對多點網絡實驗強調不同工作設備之間的過程平衡。ZigBee技術支持建立星形網絡和樹狀網絡，普通的網絡構建都可以利用ZigBee模塊完成。網絡中必須要有一個起協調作用的裝置，在星形網絡中，該裝置必須為中心節點?；赯igBee模塊的點對多點硬件網絡如圖4所示。

圖4 點對多點網絡

產品傳輸系統和產品自動存取系統被選擇為實驗對象，自動存取系統如圖5所示。在實驗中，產品傳輸系統的任務是監控所有沿著傳送帶軌道移動的托盤的位置和狀態。實驗的目標是避免移動托盤的相互碰撞，以及在軌道上放置盡可能多的移動托盤。為了在保持移動托盤有序運行的同時，實現縮短產品傳輸系統總體運行時間的效果，學生應當設計不同的方案并進行優化選擇。產品自動存取系統的任務則是監控工件存取架上每一個工件儲存位的狀態。工件存取架共有5層，工件由機械手自動抓取。如果儲存位已有工件放置，則另一個工件不能放置在相同位置。實驗的目標是避免工件之間的碰撞，以及在存取架上放置盡可能多的工件。為了縮短產品自動存取系統總體運行時間，學生同樣應當設計不同的方案并進行優化選擇。

圖5 自動存取系統

與點對點網絡實驗相比，點對多點網絡實驗更為復雜。實驗還可以擴展為工作站之間的協調運行，為此學生應當設計工作站之間的硬件接口，并平衡各個工作站的動作流程。作為基于ZigBee技術的工業物聯網實訓的強化與補充，學生還應當進行基于其他組網技術的相關實驗，如Profibus現場總線等。

3 結 語

在Micro FMS50柔性制造系統的基礎上，開發了基于ZigBee技術的工業物聯網實訓方案，以點對點及點對多點硬件網絡為載體，將無線通信、單片機、氣動控制與電氣控制技術等知識有機結合，使學生通過典型案例的實驗，掌握工業物聯網構建的基本技能與應用。由于ZigBee芯片將無線通信功能與微控制器集成為一體，ZigBee模塊可以方便地嵌入各種機電控制設備中，可以充分利用現有的機電控制實訓設備開展實踐教學，因而實驗更具有拓展性，為學生進一步創新設計提供了一個開放的實驗平臺。

[1] 胡 錚.物聯網[M].北京: 科學出版社,2010.14-17.

[2] 孟 濤,劉 忠,陳啟東.機電液綜合設計與控制試驗的探索[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):173-175.

[3] 馬知遠,朱旭芳.以實踐教學為主線的電子技術系列課程教學模式[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):213-216.

[4] 呂小艷,文衍宣.地方高校工科學生工程實踐能力培養對策研究[J].實驗室技術與管理,2016,33(1):13-16.

[5] 楊 光,耿貴寧,都 婧.物聯網安全威脅與措施[J].清華大學學報,2011,51(10):1335-1340.

[6] 趙 京,衛 沅.機器人實驗教學系統創新實踐方法及應用[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):210-212.

[7] 王龍庭,李增亮.油氣混輸教學實驗臺設計與計算[J].實驗室技術與管理,2016,33(2):72-74.

[8] 代顯華,李榮鋼,葛一楠.校企共建工程實踐教育中心的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(4):110-113.

[9] 趙曉丹,吳春華,周 振.構建以培養創新型科技人才的實踐教學體系[J].實驗室研究與探索,2015,34(11):173-175.

[10] 劉興華,王方艷.以創新人才培養為核心的實驗室開放模式探索[J].實驗室技術與管理,2016,33(1):9-12.

[11] 管 芳,胡鴻志,郭 慶.面向創新型人才培養的實踐教育模式研究[J].實驗室技術與管理,2016,33(2):17-19.

[12] 鐘永鋒, 劉永俊. ZigBee無線傳感器網絡[M].北京: 北京郵電大學出版社,2011.

[13] 杜軍朝. ZigBee技術原理與實戰[M].北京: 機械工業出版社,2015.

[14] 王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京: 化學工業出版社,2012.

[15] 陽憲慧.網絡化控制系統: 現場總線技術[M].北京:清華大學出版社,2009.3-12.

[16] 康守強,王玉靜,王 鵬.基于LabVIEW的網絡實驗平臺設計[J].實驗室技術與管理,2016,33(1):72-74.

Application of ZigBee in the Experiment of Industrial Internet of Things

CHENGewei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

In order to promote the practicum teaching of industrial Internet of Things, an experimental scheme based on ZigBee wireless communication technology is designed by utilizing the experimental equipments of mechatronics technology. The scheme organizes the networks of point to point and point to multi-point based on the flexible manufacturing system of Micro FMS50. The students can study the organizing skill and use technique of industrial Internet of Things by the typical experiments which are suitable for automatic manufacture and transport in factory. Aimed to train the technologist for industrial Internet of Things, the experiment scheme involves the knowledge of wireless communication, singlechip, PLC, pneumatic control, electric control and so on. By teaching study, it verifies that the experimental scheme is easy for widening. It provides an experimental field which opens to students for innovative design further.

industrial Internet of Things; ZigBee; wireless communication; experiments

2016-05-09

廣東省高職教育機電類專業教育教學改革項目(jd201383)

陳革維(1969-)，男，四川綿陽人，博士，副教授，主要研究方向為機電一體化技術。

Tel.：13715098017，E-mail: xialang@szpt.edu.cn

TP 271；G 642.44

A

1006-7167(2017)04-0221-04