基于Zigbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模與控制

馬永輝++趙洪輝

摘 要無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)于一體，與傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直接連接的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相比，無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具備了操作便利、成本低、易維護(hù)的特點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在具體的應(yīng)用中也會(huì)面臨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失的問題。因此，需要采取相應(yīng)的技術(shù)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行重新構(gòu)建。

【關(guān)鍵詞】Zigbee技術(shù) 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 建模 控制

1 Zigbee技術(shù)概述

1.1 Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)組成

Zigbee技術(shù)實(shí)際上是一種低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，該種技術(shù)誕生于2002年，美國Invensys、日本三菱電器、美國，摩托羅拉、荷蘭飛利浦等多家公司，聯(lián)合創(chuàng)建了Zigbee聯(lián)盟體系。在Zigbee技術(shù)中，最為基礎(chǔ)的就是需要先確立Zigbee協(xié)議架構(gòu)，該種架構(gòu)是在IEEE基礎(chǔ)上，定義了相應(yīng)的物理層、媒體訪問控制層。次年，在Zigbee聯(lián)盟中定義了Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)以及應(yīng)用層技術(shù)[1]。

1.2 丟包概率分析

在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，對(duì)丟包概率進(jìn)行分析，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以Zigbee的Mesh網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，應(yīng)用非時(shí)隙CSMA-CA算法。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定NB=0，BE=minBE，在（2BE-1）退避時(shí)周期內(nèi)隨機(jī)選擇一段時(shí)間，執(zhí)行CCA，檢測(cè)具體的信道是否滿足空閑需求，當(dāng)信道空閑的情況下，判斷建模成功。當(dāng)信道尚未處于空閑的情況下，需要認(rèn)定NB=NB+1，BE=min（BE，maxBE）[2]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延

經(jīng)過計(jì)算，確定Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延d（k）主要包含了四個(gè)部分，控制環(huán)節(jié)、等待環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、延緩環(huán)節(jié)。控制環(huán)節(jié)與延緩環(huán)節(jié)主要是針對(duì)數(shù)據(jù)從上位機(jī)通過串口到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的時(shí)間、數(shù)據(jù)，從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過串口到達(dá)下位機(jī)但的時(shí)間。

2 基于Zigbee技術(shù)的單邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模與控制

2.1 控制系統(tǒng)建模

在本文中針對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在著較大的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)、丟包現(xiàn)象，搭建相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)連接平臺(tái)，針對(duì)傳感器與控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在該種測(cè)試環(huán)節(jié)中，建立基于單邊的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延等環(huán)節(jié)中，采用采樣周期的整體倍數(shù)，將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模成為一類T-S模糊模型，以及一類離散切換系統(tǒng)，避免閉環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)比較嚴(yán)重的干擾。基于ZigBee技術(shù)的單邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包含執(zhí)行器、被控制對(duì)象、傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及控制型。執(zhí)行器針對(duì)被控對(duì)象提出指令，觸感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再到控制器中，完成指令的執(zhí)行[3]。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)中，為了使得閉環(huán)單跳無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，需要保障控制器的設(shè)計(jì)需要具備一定的條件。如，在給定標(biāo)量的基礎(chǔ)上，存在著正定對(duì)稱矩陣時(shí)，要求矩陣不等式能夠滿足指數(shù)均方穩(wěn)定的條件。如果給定另一個(gè)標(biāo)量的情況下，需要保障正定對(duì)稱矩陣能夠滿足閉環(huán)多跳網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在控制器作用下，呈現(xiàn)出指數(shù)均方穩(wěn)定。在對(duì)以上結(jié)論進(jìn)行論證的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該選擇李雅普諾夫函數(shù)[4]。

3 基于Zigbee技術(shù)的雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模與控制

3.1 控制系統(tǒng)建模

為了保障無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模成功，提升系統(tǒng)控制效率，在基于ZigBee技術(shù)的單邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模基礎(chǔ)上，研究雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模以及控制器設(shè)計(jì)。在該種建模方式中，需要對(duì)傳感器與控制器之間，控制器與執(zhí)行器之間，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接。在應(yīng)用ZigBee傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，并且有效的構(gòu)建基于丟包概率的李亞普諾夫函數(shù)。該種方式的應(yīng)用，有效的提升了控制器設(shè)計(jì)效率。對(duì)基于ZigBee技術(shù)的雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在執(zhí)行器與傳感器之間增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)執(zhí)行器接收到系統(tǒng)指令的情況，控制被控對(duì)象，應(yīng)用傳感器，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)下，實(shí)現(xiàn)控制器的相應(yīng)功能。在對(duì)基于ZigBee技術(shù)的雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進(jìn)行建模時(shí)，需要假設(shè)一定的前提：

（1）傳感器為時(shí)間驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用時(shí)間T，設(shè)定控制器與執(zhí)行器為事件的驅(qū)動(dòng)；

（2）對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)；

（3）采用單包傳輸方式，保障每一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)都可以測(cè)量的；

（4）在實(shí)際建模環(huán)節(jié)中，忽略量化誤差，和通信過程中的誤碼情況。

3.2 控制器設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)雙邊無線控制技術(shù)的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)控制器的環(huán)節(jié)中，當(dāng)存在著正定對(duì)稱矩陣，需要保障其線性的不等式能夠成立。雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在控制器的應(yīng)用下，能夠滿足魯棒均方穩(wěn)定。

4 結(jié)論

綜上所述，在本文針對(duì)ZigBee技術(shù)組成與丟包概率、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行分析。在進(jìn)行基于ZigBee技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模環(huán)節(jié)中，從單邊無線網(wǎng)絡(luò)和雙邊無線網(wǎng)絡(luò)兩方面進(jìn)行建模分析，以及控制器設(shè)計(jì)。在單邊無線網(wǎng)絡(luò)中，為了解決系統(tǒng)時(shí)延的情況以及丟包現(xiàn)象，文獻(xiàn)中將網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延建模，將其設(shè)計(jì)為線性的系統(tǒng)，針對(duì)該類型的模型設(shè)計(jì)針對(duì)性的無記憶狀態(tài)反饋控制器。在雙邊無線網(wǎng)絡(luò)建模中，對(duì)傳感器與控制器之間，控制器與執(zhí)行器之間，進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接。

參考文獻(xiàn)

[1]劉艷玲，王鼎.煤礦野外生產(chǎn)生活區(qū)高位水池?zé)o線檢測(cè)系統(tǒng)——一種基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)例[J].電子世界，2013（15）：112-113.

[2]李建寧.無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制[D].浙江大學(xué)，2013.

[3]張鳳.基于ZigBee技術(shù)的無線溫度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究[D].中國海洋大學(xué)，2011.

[4]詹良.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[D].北京郵電大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介

馬永輝（1976-）男，江蘇省徐州市人。現(xiàn)為華洋通信科技股份有限公司技術(shù)總監(jiān)，職稱，中級(jí)。研究方向?yàn)殚L期從事電力和煤炭行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化、信息化等領(lǐng)域的研發(fā)和技術(shù)推廣。

作者單位

1.華洋通信科技股份有限公司 江蘇省徐州市 221116

2.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司 陜西省榆林市 710004