工業控制中的ZigBee技術分析及研究

汪科

摘要 隨著現代工業的不斷發展，其對于工業控制的要求相對提高。而在工業控制系統中，信息傳遞占據了及其重要的作用。在網絡技術不斷發展的今天，越來越多的工業控制系統開始引入不同的網絡協議，在保證其信息傳遞的準確性的基礎上，也極大地提高了系統的安全性。ZigBee技術作為工業控制中運用的網絡協議之一，具有低速率、低成本、低功耗等多個優點，信息傳遞安全可靠，安裝便捷，成本低廉，使其應用范圍不斷擴大。尤其是現場總線控制系統的應用擴大，也將該種技術引入，這就使得其網絡傳輸的實時性與可靠性有所保證。在這種狀況下，極大地提高了控制系統的可擴展性，降低了整體成本。故而，對該項技術的應用加以分析十分必要。

關鍵詞 ZigBee；工業控制；現場總線技術；應用

1.ZigBee技術分析

1.1內涵

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無限通訊技術。其主要適用于距離較短、功耗較低、傳輸速率要求不高的電子設備，以及其具有一定周期性數據、間歇性數據和低反應數據傳輸。這就類似于蜜蜂在發現花叢后，會通過特殊的肢體語言來告知同伴其發現的事物。而這種肢體語言，其本身的可輸出距離較短，表達難度較低。從這點看來，ZigBee技術也具有類似的特性。而隨著現代通信技術的不斷發展，目前，其已經成為一種網絡協議。該協議相對其他協議而言，局限性較強，但是在應用中，這個局限性也轉化為其優勢，成為現代工業控制的首選。

1.2特點

1）傳輸速率低下。相對其他的網絡協議而言，該種網絡技術其在2.4GHz工業、科學、醫學頻帶的最高傳輸速率為250kbps，適用于報文吞吐量較小的一些通信場合。然而，在信息技術如此發展的今天，人們很多商業活動，都要依靠網絡。該種網絡模式基本上沒有應用空間。

2）功能耗損較低。ZigBee技術的傳輸速率低下，自然，其在整個傳輸過程中，其耗損的功能也相對較少。根據其應用統計，其發射功率損耗大約為1mW，在休眠的狀況下，其電池壽命可長達數年。這是其他網絡技術所難以達到的一個狀態。

3）成本低。當前，zigBee協議是免專利費的，也就是說，在應用該種協議時，協議本身不需要消耗，只需要基本的設備。而根據相關統計，該種技術的設備單位成本在幾美元左右，也就是不超過一百元人民幣。這就使得其運用成本大幅度降低。

4）距離短。相對一般網絡的覆蓋來說，該種技術的覆蓋面有些局限。其傳輸距離短，因此在長期的發展中，很少有人使用該種技術。但是，也正是因為傳輸距離短，所以其傳輸的準確性相對較高。

1.3優勢

1）可靠性。工業控制環境下對通信網絡的首要要求，就是數據傳輸的可靠性與準確性。無限通信技術相對有限通信而言，其受到外界干擾的可能性提高。在部分網絡技術的使用中，還需要使用一定的手段，來降低其被干擾的可能。而ZigBee技術其本身傳輸的距離短，被干擾可能降低。另外，其本身也會對外界的干擾進行消除，這就使得其數據的可靠性得到極大的保障。

2）實時性與同步性。實時性是工業控制的重要指標。ZigBee技術其網絡新增節點的典型網絡參與實踐為30ms，其節點從休眠進入激活狀態的用時較短，能夠更快地保證信息的傳遞。這就使得其在使用中，各個環節的實時性與同步性較好。

3）靈活性。其靈活性主要體現在自身組網的可擴展性以及設備共存性。一般來說，無線網絡信號之間會存在一定的排斥，在共同使用時，其相互干擾的可能性極高。而zigBee技術很好地規避了這一缺點。無論是設備的擺放，還是其應用，都不會產生過多的影響。

4）經濟性。從整體來說zigBee技術其成本較低，且能夠很好地滿足工業控制的需求。在使用中，無論是電源壽命，還是后期的調整，都不會有過大的花費。這就使得其安裝成本與維護成本較低。

2.ZigBee技術應用解析

當前，工業控制系統不斷完善，其中以現場總線為主要形式。現場總線是一種數字化分布式的雙向串行通訊總線，其種類相對較多。應用較廣且效果較好的為Modbus。該種協議是Modicon公司為可編程邏輯控制器設計的現場總線協議。該種協議模式，其結構簡單、報文吞吐量較小，類似于ZigBee技術。隨著ZigBee技術應用范圍的不斷擴大，不少研究人員也將Modbus進行優化，其本身是通過有線連接來建立，而在這個協議中，其傳統的模式沒有ZigBee技術，表現如圖1。該種模式下，其成本相對較高，其設備可擴展性受限制。隨著現代技術的不斷發展，當前，已經將zigBee技術引入其中，其結構表現如圖2。

優化后的引入zigBee技術的控制系統，其能夠在保證通信可靠性與實時性的基礎上，提高控制系統的可擴展性，極大地降低了設備的安裝成本與維護成本，有效地實現了工業生產的成本控制，經濟性較強。

3.結論

zigBee技術是一款轉為低速傳感器和控制網絡設計的無線網絡協議，其具有低功耗、低成本和靈活可靠等諸多優點，在小區域內使用相對其他協議具有明顯的優勢。而工業控制，其本身覆蓋面積相對較窄，十分適用。因此，該種技術具有廣闊的協議。zigBee技術的使用為工業控制提供了標準的規范。其對于工業控制網絡來說，能夠優化其控制系統，為工業生產提供極大的幫助。