自潔式空氣過濾器無線控制系統

摘要：當代的工廠生產過程中，繁縟的布線不但使得成本增大，不易維護，而且在安全性方面存在隱患。國際上流行的WSN（無線傳感器網絡）技術，利用無線局域網通信取代傳統布線，適用于工業無線控制。本文介紹的“自潔式空氣過濾器無線控制系統”(XD_AF01)采用無線傳輸的方式實現了主控端對受控端的控制，提高了系統的可靠性和易用性。

關鍵詞：無線傳感器網絡；工業無線控制；IEEE802.15.4

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)17-21442-02

工業生產中常需要將空氣經過過濾后再使用，途徑是通過控制布置在廠房頂部的電磁閥開啟和關閉，調整空氣與過濾劑的接觸時間，從而達到過濾效果。這些電磁閥是有序布置，依次開啟的，傳統的控制方法是通過布線完成電磁閥和主控制端的通信，但繁縟的布線不但麻煩，增加成本，而且在安全性方面存在隱患。

XD_AF01基于國際上流行的WSN技術[2，3，4]，在IEEE802.15.4[1]協議基礎上實現主控端對電磁閥的無線控制。本文在介紹了該系統軟硬件構成的基礎上說明了其無線控制部分的優化。

1 系統介紹

XD_AF01由1個主控端、306個受控端、風壓變送器組成。風壓變送器實時采集受控端工作現場的氣壓，轉換為電流值后傳送至主控端；每個受控端由1個控制器和與其相連的1個電磁閥組成，控制器負責與主控端無線通訊，根據主控端的命令打開或關閉與其相連的電磁閥。受控端之間彼此獨立工作，間隔約半米，工作在1間廠房內；主控端帶有液晶屏和按鍵，用于顯示及控制受控端工作。主控端與受控端工作現場（廠房）相距約100米，通過無線通訊控制受控端。

主控端的主要工作狀態有3個：參數設置、自動巡檢、手動控制。

2 程序結構

系統運行時，首先需要進行硬件和通訊的初始化，讀取Flash中的工作參數。當主控端處于“開啟”狀態（由監控臺控制），則根據主控端是否接收到人工操作信號（設置參數或進入手動控制），在程序主函數中分為按鍵有無按下2部分：若有按鍵按下則進入人機交互模塊；若無按鍵按下則進入工作模式：自動巡檢(AUTO)或手動控制(HDL)。AUTO模式將調用無線通信模塊，HDL模式將調用無線通信模塊和人機交互模塊。程序的主函數流程圖見圖1。

3 硬件架構和通信協議

XD_AF01系統的硬件架構包括主控端(Master)和受控端(Slave)，2個的控制器分別采用東南大學ASIC中心研制的Z1100和Z1000模塊（內嵌Freescale 的MC13213芯片[5]），配置60K Flash，4K RAM， 符合IEEE802.15.4標準的RF模塊，工作在ISM的2.4GHz頻段，帶有8通道10位的ADC和8位的按鍵中斷，最大時鐘速率40MHz。無線通信在IEEE802.15.4的PHY和MAC協議規范基礎上，自定義了具有針對性的NWK和APL協議以保證XD_AF01的通信質量。

3.1 硬件架構

主控端的組成包括：液晶顯示模塊、Z1100控制模塊（內嵌集成RF及ADC的Freescale MC13213芯片）、電源模塊、電流輸出模塊，通過2.4GHz無線信號對受控端行控制，受控端的組成包括：Z1000控制模塊（內嵌MC13213芯片）、電源模塊、電磁閥。硬件框圖參照 圖2：

3.2 通信協議

本系統采用的無線通信工作在開放的2.4GHz頻段，被廣泛用于工業控制領域，具有較好的可靠性和抗干擾性。為了進一步提高系統的穩定性，在如下2方面進行了改進：

1)差錯控制

為保證傳輸無丟失，增加了主控端的中繼站轉發其通信內容，以實現無數據包丟失，并根據數據包的序列號過濾實現無重復交付。

2)增加可靠性

根據XD_AF01系統的功能要求，某個受控端處于非控制狀態下的開啟狀態會造成嚴重后果，故采取下列措施保證受控端處于關閉狀態以提高系統可靠性：

a）主控端僅發送1次同時包含導通時間和開關間隔信息的數據包至受控端NodeNum號，NodeNum號在收到帶有開啟命令的包后，必然可以從中得到關閉信息，從而將電磁閥關閉；

b）主控端在發送開啟命令并延長導通時間后（正常情況下，此時受控端以將電磁閥關閉），廣播一次關閉命令以進一步確保此時的所有電磁閥都處于關閉狀態；

c）受控端判斷電磁閥開啟的時間是否超過閾值，若超過則關閉電磁閥。

4 結束語

XD_AF01系統使用無線傳感器網絡技術，綜合了無線通信、嵌入式計算機系統、傳感器技術等，省去了傳統工業控制中的大量線纜，提高了系統的穩定性和易維護性。

參考文獻：

[1] IEEE Standard 802.15.4[S].2003.

[2] 蔣挺，趙成林，紫蜂技術及其應用[M]. 北京郵電大學出版社，2006.

[3] Holger Karl， Andreas Willing. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks[M].邱天爽，唐洪等譯，2007.

[4] 金保升.無線傳感器網絡多信道MAC協議的研究與實現，CNKI:CDMD:2.2007.196417 2007年7月.

[5] Freescale Co.MC13213 Data Sheet[S].

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文