基于Zigbee的無線技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

蘇忠國

（中石化第四建設(shè)有限公司，天津 300270）

1 Zigbee無線技術(shù)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的能量有限的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有精度高、覆蓋范圍廣以及可遠(yuǎn)程監(jiān)測等特點。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)可由多個節(jié)點組成，節(jié)點越多，網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，適應(yīng)性與容錯性能越強。即使其中某些節(jié)點故障，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)也會自動通過其他正常節(jié)點來重新規(guī)劃路由，從而保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。Zigbee無線技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的最典型應(yīng)用是自動抄表系統(tǒng)。這個抄表系統(tǒng)是電力局自行建網(wǎng)，因此不收取任何額外費用。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的超大容量，可以覆蓋所有需要覆蓋的地域[1]。

2 Zigbee無線技術(shù)的優(yōu)勢及特征

2.1 ZigBee無線技術(shù)的優(yōu)勢

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的商業(yè)名稱。近年來，該協(xié)議已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并協(xié)議處理器所需要的價格相當(dāng)?shù)?，能夠?jié)約成本支出。ZigBee技術(shù)具有許多優(yōu)點，由于它主要用于睡眠模式中，傳輸功率僅為1 MW，能夠達(dá)到節(jié)電能耗的目的，維持時間為6個月至2年。ZigBee技術(shù)的通信延遲相對較短，只需30 ms，并且只需要15 ms就能夠在第一時間內(nèi)激活睡眠工作狀態(tài)，完成設(shè)備搜索任務(wù)，可以滿足不同行業(yè)的基本需求[2]。

ZigBee的優(yōu)勢在于其擁有較大的網(wǎng)絡(luò)容納能力，僅需要一個星型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，就能夠承載254個子節(jié)點和1個主節(jié)點。ZigBee通過碰撞避免模式，能夠在一定程度上有效避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生競爭和沖突，說明ZigBee技術(shù)具有較高的可靠性。在安全方面，ZigBee提供了一種循環(huán)冗余校驗方法，通過AES-128數(shù)據(jù)信息的加密模式，使每一個數(shù)據(jù)信息均能夠在一定程度上確定最佳屬性。ZigBee協(xié)議棧主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層構(gòu)成，能夠通過低配置的芯片實現(xiàn)較多的功能。

2.2 ZigBee無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特征

ZigBee技術(shù)與其他無線通信技術(shù)相比較而言，具有如下5個特征。第一，網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)量大。網(wǎng)絡(luò)整體組成結(jié)構(gòu)較為靈活，不同區(qū)域范圍內(nèi)部包含至少上百個微型網(wǎng)絡(luò)，每一個微型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以設(shè)定成百上千的WSN數(shù)據(jù)終端，在此基礎(chǔ)上能夠構(gòu)成完備的數(shù)據(jù)傳輸信息系統(tǒng)。第二，實時性。通常，該系統(tǒng)處于等待模式，一旦觸及，會立即切換至工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)節(jié)點反饋速度快。而當(dāng)新的終端設(shè)備連接到系統(tǒng)時，可以快速連接并運行，極大地縮短了反饋時間。第三，低成本。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用的協(xié)議相對簡單，通信控制裝置并不包括復(fù)雜數(shù)據(jù)，但性價比具有一定競爭優(yōu)勢。第四，自組織網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)信息節(jié)點的信號傳輸，并未指定固定的通信傳輸線路。因此，可以通過定向路由的方式找到鄰近節(jié)點，將需要傳遞的數(shù)據(jù)發(fā)送至該節(jié)點位置處，節(jié)點數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移不會對整體造成影響。第五，低功耗。在無線智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計中，通過傳感器節(jié)點收集應(yīng)用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)所需信息，若系統(tǒng)設(shè)計的節(jié)點越少，那么需要采集的數(shù)據(jù)信息量就相對較少，能夠在一定程度上節(jié)省功耗。

3 基于Zigbee的無線技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

3.1 工業(yè)環(huán)境采集數(shù)據(jù)信息

在工業(yè)自動化的組網(wǎng)上，大部分都采用有線組網(wǎng)模式，該模式投入成本高昂，監(jiān)控便捷性差，感知性較低，不適合大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)主要以中心控制設(shè)備為主體，設(shè)備體積相對較大，占地面積過多，極大的浪費資源。在系統(tǒng)的應(yīng)用層面上，一般均通過短信或監(jiān)控平臺獲取相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣就會過度網(wǎng)絡(luò)依賴，不能實時地對工業(yè)環(huán)境進(jìn)行溫濕度和光照等環(huán)境監(jiān)測。

根據(jù)上述詳細(xì)分析，在模糊控制基礎(chǔ)上通過異網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模式進(jìn)行相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸，從而搭建基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點，其設(shè)計要求主要包括如下5個方面。第一，通過不同類型的Zigbee傳感器進(jìn)行多因子數(shù)據(jù)信息采集，實時監(jiān)控相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)。第二，基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部署簡單，采用無線組網(wǎng)模式將不同監(jiān)測節(jié)點組合，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。第三，系統(tǒng)可以進(jìn)行電池充電，通過監(jiān)控節(jié)點進(jìn)行高達(dá)2個月的正常工作任務(wù)，其中數(shù)據(jù)控制中心能夠根據(jù)實際情況對需求信息進(jìn)行管理和控制。第四，具備人機數(shù)據(jù)信息交互能力，可以通過遠(yuǎn)程模式實時進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸和控制。第五，用戶根據(jù)自身的需求，通過設(shè)備終端對工業(yè)環(huán)境中的作物進(jìn)行實時訪問和設(shè)備調(diào)控。

3.2 工業(yè)自動化平臺搭建與應(yīng)用

對于工業(yè)自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，遠(yuǎn)程中心控制端可以通過服務(wù)器在線模式，訪問工業(yè)自動化運營系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，且對該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，基于Zigbee的無線技術(shù)能夠采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實時監(jiān)測工業(yè)環(huán)境中不同產(chǎn)品的基本狀況，通過數(shù)字和圖像的方式，充分展示出產(chǎn)品的基本活動及環(huán)境信息。

為了確保系統(tǒng)的正常高效運行，需要對系統(tǒng)的報警功能和日志等進(jìn)行控制和管理，方便相關(guān)人員定期根據(jù)系統(tǒng)的基本情況進(jìn)行合理維護。系統(tǒng)的報警功能包括實時報警和歷史報警，當(dāng)指示器和蜂鳴器不斷閃爍進(jìn)行示意提醒時，則為實時警報，若采集到的實際環(huán)境信息與預(yù)設(shè)量值存在差額，系統(tǒng)將會發(fā)出警告通知。歷史報警信息，主要是將實時報警信息存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)用戶的基本要求，能夠隨時查詢歷史記錄，為管理者分析產(chǎn)品基本數(shù)據(jù)。在對工業(yè)環(huán)境進(jìn)行的數(shù)據(jù)監(jiān)測和存儲，在實際應(yīng)用過程中根據(jù)使用周期提供工業(yè)環(huán)境參數(shù)，通過獲取的大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，對該時間段內(nèi)產(chǎn)品基本情況進(jìn)行總結(jié)。在系統(tǒng)遠(yuǎn)程中心控制界面，根據(jù)假定的前提條件設(shè)置工業(yè)環(huán)境內(nèi)適合產(chǎn)品基本的環(huán)境參數(shù)，同時對工業(yè)環(huán)境內(nèi)的每個數(shù)據(jù)節(jié)點，設(shè)置報警周期、閾值范圍以及上傳延時等。

3.3 手機APP與服務(wù)器數(shù)據(jù)交互傳輸

工業(yè)環(huán)境將根據(jù)實際情況，劃分為不同的區(qū)域范圍，每個區(qū)域范圍都是獨立個體。根據(jù)功能劃分的基本依據(jù)，在工業(yè)環(huán)境區(qū)域范圍中部署數(shù)據(jù)節(jié)點，其主要包括網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)節(jié)點、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)控制節(jié)點以及路由節(jié)點。對于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)節(jié)點而言，其在整個系統(tǒng)架構(gòu)中主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，將ZigBee與4G進(jìn)行通信轉(zhuǎn)換。對于數(shù)據(jù)控制節(jié)點而言，其在系統(tǒng)中主要根據(jù)自身的特點對電磁閥的開關(guān)進(jìn)行合理控制。對于路由節(jié)點而言，需要將網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中及時發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路徑。路由節(jié)點部署策略關(guān)系到整個工業(yè)自動化運營系統(tǒng)的正常運行，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的全部路由節(jié)點需要覆蓋整個灌溉范圍，以確保系統(tǒng)終端能夠正常接收全部產(chǎn)品的詳細(xì)信息。

基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點，主要用來測量基本量值信息數(shù)據(jù)，不同區(qū)域范疇內(nèi)的采集節(jié)點需根據(jù)實際情況進(jìn)行部署，設(shè)置參數(shù)量值為全部ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點測量平均值，此時在每個區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置兩個控制節(jié)點。將基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的區(qū)域，不僅能夠在一定程度上提高抗干擾能力，還增強系統(tǒng)的可擴展性。對于每個網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)而言，均具有遠(yuǎn)程交互功能，能夠?qū)⒃搮^(qū)域范圍內(nèi)參數(shù)量值數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)的控制中心。用戶可以通過連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，直接訪問控制中心。對于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心而言，其主要用來接收基于ZigBee的無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，然后根據(jù)信息內(nèi)容將其劃分為不同模塊，最終存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。一旦監(jiān)測到請求信號指令，服務(wù)器立即響應(yīng)并建立實時連接，監(jiān)控中心將根據(jù)指令管理控制相應(yīng)閥門。用戶可以通過手機APP與服務(wù)器建立交互，從而根據(jù)自身的實際需求完成對工業(yè)自動化的加工生產(chǎn)進(jìn)行管理。

4 基于Zigbee的無線技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 建立方便，減少成本投入

有線通信的建立必須通過線纜相連接，而線纜鋪設(shè)費時費力，有時，由于某些工業(yè)環(huán)境（例如高溫高壓）及其地理位置的特殊性（如經(jīng)過山河、湖泊等），線纜鋪設(shè)十分困難。即使線纜鋪設(shè)完成，通信建立以后，也容易遭到外界因素的影響與破壞，后期維護工作量相對較大，一旦出了故障，順著線纜查找故障點需要花費很長時間，維修起來很不方便且費用也比較大。

相對而言，工業(yè)自動化中投入基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就可以很好地規(guī)避有線網(wǎng)絡(luò)的不足?；赯igBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)簡單，可以節(jié)省線纜資源，從而減少成本投入，故障查找及排除簡單快速，后期維護工作量小，沒有線纜老化損壞而進(jìn)行維護更換的工作需要。例如，一個用485協(xié)議通信的網(wǎng)絡(luò)，如果系統(tǒng)間的485電纜出現(xiàn)損壞或接點松動情況，整個通信系統(tǒng)的所有信號都會因為這一根電纜而丟失，而且問題排查困難且耗時。而基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)如果其中一個接點出現(xiàn)故障，不會對其他接點產(chǎn)生影響，而且所有問題都會集中在節(jié)點設(shè)備上，不存在中間線纜的問題，相對來說查找處理問題更簡單直觀。

4.2 追加節(jié)點，擴展性與包容性強

在通信網(wǎng)絡(luò)建好以后，常常會因為在運行過程中的某些對系統(tǒng)操作和維護的特殊需要而增加新的設(shè)備節(jié)點，如果采用有線方式就要鋪設(shè)新的線纜，更嚴(yán)重的可能需要拆除原來的通信線纜。由此可見，有線通信網(wǎng)絡(luò)的增容能力較差，應(yīng)對突變情況的能力不強，如果處理不當(dāng)還可能對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的損壞。在基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中由于生產(chǎn)或者通信等原因需要增加節(jié)點時，操作過程就簡單很多，無需鋪設(shè)新的有線線纜，只需在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中加入新的接入點，然后在組態(tài)軟件中進(jìn)行簡單的調(diào)整修改即可。由此可見，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相對有線技術(shù)體現(xiàn)出了更強的擴展與包容性，應(yīng)對突發(fā)情況的能力也比有線技術(shù)強，有利于工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的監(jiān)測與控制。

4.3 位置調(diào)整輕松簡單

基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)中對設(shè)備位置可以隨意調(diào)整，不受外界條件的約束限制。在生產(chǎn)的過程中，由于某些原因需要對相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置進(jìn)行調(diào)整，只要該設(shè)備本身沒有故障，執(zhí)行工作的能力正常，就能夠把它移動到能夠接收到網(wǎng)絡(luò)信號的任意位置，而且這個操作過程非常簡單，幾乎不消耗成本。但是在有線網(wǎng)絡(luò)中，如果需要調(diào)整一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置，需要為新位置選擇一個合適的節(jié)點，在設(shè)備與節(jié)點之間敷設(shè)新的線纜，工作量和難度較巨大。

4.4 穩(wěn)定性及抗干擾性強，安全系數(shù)高

有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對外界環(huán)境要求高，由于有線技術(shù)中有線纜的因素，所以當(dāng)周邊環(huán)境不適合有線技術(shù)設(shè)備的使用時，或者在人為因素的情況下，就很容易出現(xiàn)故障。而基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在整個生產(chǎn)過程中的信息保密性較高，任何一條基于ZigBee的無線技術(shù)都可以設(shè)置屬于其本身的加密方式，提高了整個線路中的信息的安全性，被竊聽和盜取的概率小?；赯igBee的無線技術(shù)可以通過改變其自身的頻率來應(yīng)對外界惡劣環(huán)境的變化，有較強的抗干擾性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備也在不斷的更新?lián)Q代，ZigBee無線技術(shù)以其簡單、便捷以及安全可靠的特點贏得各大廠家的青睞。通過ZigBee無線技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)可以節(jié)省更多的成本，提升了工作效率，減少了工作程序，同時還可以提高企業(yè)的效益。ZigBee無線通信技術(shù)發(fā)展前景廣闊，因此，對ZigBee無線技術(shù)進(jìn)行研究顯得非常重要。