基于無線網的復雜控制系統設計及實現

李媛 任俊杰

[摘要]應用Zigbee協議設計無線傳感網絡，采用Labview軟件編寫PID控制和模糊控制程序，將無線傳感網與Labview軟件相結合，設計了基于無線網的采集和控制

系統，解決了某些現場設備難以布線、某些移動產品的實時檢測等問題;被應用于三容水箱液位的實際控制中，取得了非常好的控制效果。

[關鍵詞]無線網;Labview;Zigbee協議;三容水箱;控制算法

[中圖分類號]TN 925.93[文獻標志碼]A[文章編號]1005-0310（2019）02-0019-05

Abstract： Wireless sensor network using the Zigbee protocol is established. The PID control and fuzzy control program using Labview software is designed. Combing the wireless sensor network with Labview software， we have designed the acquisition and control system based on wireless network. Some problems such as difficulty in wiring and real-time detection of some mobile products are solved. The system has been applied to the actual control of the water level of the three-capacity tank and has achieved a very good control effect.

Keywords： Wireless network; Labview; Zigbee; Three-capacity tank; Control algorithm

0引言

無線傳感器網絡（WSN）是具備信息采集、信息傳輸與信息處理等功能的綜合系統，目前，被廣泛應用于軍事國防、城市交通、環境監測等諸多領域[1]。隨著無線傳感網硬軟件技術的飛速發展，以無線網為平臺，研究復雜多變量工業過程的智能控制系統得到應用，在難以布線的生產現場，可以采用無線收發的形式獲得數據，進行控制;也可以將工況實時反饋到手機等移動智能終端，提升生產、制造過程的透明性、敏捷性、容錯性，達到對生產過程全方位的跟蹤、分析、優化和控制，確保生產、制造執行過程的高效、健康運行。

三容水箱是較典型的非線性時延對象，也是基于工業過程的物理模擬對象，系統的參數有液位、流量、壓力等，可以實現系統的多種控制形式。而工業上許多被控對象都可以被抽象成三容水箱的物理模型，如工業鍋爐、石油化工等液位控制，因此三容水箱非常具有代表性，它的工業背景也很強，研究三容水箱的控制系統具有實際意義。本文以三容水箱為被控對象，采用Zigbee協議搭建無線傳感網，采集、傳輸三容水箱的液位值，用Labview軟件接收數據，并采用PID和模糊控制算法實現液位的閉環控制。通過系統實際調試和運行，得到了滿意的控制效果，為自動化系統無線傳輸及控制提供了基礎數據。

1系統結構

系統被控對象是三容水箱，采用Zigbee模塊組成無線網，實現數據傳輸，上位機Labview軟件接收三容水箱的液位數據，進行數據處理、顯示，并發出信號以控制水箱執行器，實現水箱液位控制。系統結構如圖1所示，圖中虛線表示無線信號傳輸。

Zigbee模塊根據所處位置和功能的不同，可以分為終端節點模塊、路由模塊和協調器模塊。Zigbee終端節點模塊與三容水箱的液位信號連接，并通過無線方式傳遞給路由節點（根據實際情況可以有多個），再由路由節點傳遞給協調器，由上位機讀取并處理;控制信號反之，由上位機發出，通過協調器和路由節點，傳輸給終端節點，控制進水量。

Zigbee模塊尺寸約為6 cm×8 cm，比較小巧，因此網絡的實際布置及安裝非常簡單方便：終端節點模塊直接與三容水箱相連，協調器模塊直接插在USB口與上位機連接，路由模塊應根據被控對象與控制器之間的距離、環境因素以及Zigbee模塊的無線發射功率大小，確定網絡中需要配置的數量。這些路由模塊固定于被控對象與控制器之間的某處或物體表面即可，出于降低模塊使用功耗的需求，一般2個Zigbee模塊之間的無線傳輸距離最好小于100 m。

1.1三容水箱

QXLTT三容液位控制實驗裝置是一臺具有多個輸入和多個輸出的非線性耦合被控物理模型。實驗裝置的主體是由用透明的有機玻璃制成的3個圓形容器罐和1個蓄水池，并配以相應的執行機構和傳感器組成，包括2個水泵P1和P2、6個手動閥V1～V6、2個PWM（脈寬調制）型線性比例調節閥V7和V8以及2個旁路閥V9、V10，如圖2所示。圖中T1、T2、T3分別表示1#、2#、3#水箱的液位值，由3個反壓式液位傳感器測得。

1.2Zigbee模塊

Zigbee模塊作為無線網絡中的節點，與其他同類節點通過無線方式進行數據交流。本文中的無線網絡協議采用ZigBee協議，是IEEE 802.15.4美國電子與電氣工程師協會標準。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，具有自組網功能。Zigbee模塊集成有兩個CPU，其中STM32F107芯片用于信號的采集，另一個CC2530芯片用于信號的無線傳輸。

信號采集芯片——STM32F107芯片的標準外設包括10個定時器、2個12位1-Msample/s AD、2個12位DA（數模轉換器）、2個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口和高質量數字音頻接口IIS，另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口、兩路CAN2.0B接口以及以太網10/100 MAC模塊。

無線發送芯片——CC2530模塊使用增強型8051內核，每個指令周期是一個時鐘，相對于其他通用的8位微控制器來說，它有更加豐富的資源以及更快的速度，主要包含單周期的8051兼容內核、8KB的SRAM以及32/64/128/256KB的閃存，兩線調試接口允許對片上閃存進行編程，通過不同的運行模式使之能低功耗運行。

2系統組網及數據傳輸

無線傳感網通常由多個Zigbee模塊組成，結構如圖1所示。在同一網絡中協調器只能有1個，用于組網、與PC機進行數據通信，其余Zigbee模塊可以設置為路由器或終端模塊，用于發送或接收信息。本文采用4個Zigbee模塊進行組網，終端模塊和協調器分別與被控對象和上位機相連，其余2個路由模塊按一定的距離置于實驗室的桌上。

2.1網絡軟件設置

Zigbee協議工作于2.4G頻段[2]，共有16個信道，定義為通道11～通道26。本文應用4個Zigbee模塊進行組網，采用Mesh網結構，應用2.4G的通道11作為無線信道，網絡的PANID取為2111。其中，與PC機通過串口連接的Zigbee模塊是協調器，其余3個Zigbee模塊設置為路由器功能;路由器中與被控對象連接的Zigbee模塊具有采集和無線傳輸功能，其余2個Zigbee模塊只具有傳輸功能。

按照數據信號的傳輸方向，將數據傳輸定為上行和下行傳輸，即由水箱向PC機的傳輸方向是上行數據傳輸;由PC機發出指令給水箱的執行器是下行數據傳輸。數據傳輸格式如表1所示。

2.2數據采集和無線發送

以上行傳輸為例，數據采集和無線發送過程分為3個階段，下行傳輸原理相同。

2.2.1對水箱液位信號的采集及傳輸

三容水箱的反壓式液位傳感器輸出4～20 mA的電流值，Zigbee模塊中STM32F107芯片采集水箱液位信號，通過DMA方式將采集結果存放到內存中的某一地址單元;然后通過內部串口SPI傳至CC2530芯片，CC2530接收到數據后無線發送給路由模塊，程序流程如圖3所示。

2.2.2信號通過路由器無線傳輸

通過Mesh網絡，采集模塊發送的信號由路由模塊傳送給協調器模塊，程序流程如圖4所示。

2.2.3協調器接收數據并通過串口傳輸給PC機

PC端Zigbee模塊是無線網的協調器，接收路由模塊發來的數據。協調器中的CC2530芯片將接收來的數據傳給該模塊中的STM32F107芯片，并通過PC機串口將數據傳輸給PC機，其程序流程如圖5所示。

2.3PC機串口接收

PC機采用Labview軟件接收協調器采集數據，并對數據進行處理[3]，在Labview環境下，開發PID算法和模糊控制算法的前后面板程序，實現液位控制，具體流程如圖6所示。

3系統實施及運行效果

向Zigbee模塊下載相應的程序，運行顯示組網成功。將采集模塊與三容水箱連接，協調器模塊與PC機連接，運行Labview軟件，控制對象結構如圖2所示，將手動閥V1和V5打開，V2和V4關閉，使1#水箱與2#水箱連通，形成雙容系統;通過控制變頻器改變P1水泵的進水量，實現對三容水箱中的2#液位進行調節。因為進水泵是直接給1#水箱進水，再通過連通閥V1進入2#水箱，因此對2#水箱的液位控制具有時延性。本系統是具有時滯特性的復雜控制系統。

3.1PID控制

采用PID算法實現液位控制，當PID控制輸出為0時，發送數據最小值為3 030，對應控制電壓為0 V，表示電磁閥開度是最小;當PID控制輸出為100時，發送數據最大為4 646，對應控制電壓為5 V，表示電磁閥開度最大。

2#液位給定值為300 mm，系統通過無線傳感網不斷采集當前液位值，與給定值形成偏差，實現PID控制，使液位的實際值達到給定值。PID調節液位曲線如圖7所示。

3.2模糊控制

模糊控制是對誤差e和誤差變化率ec作為輸入信號[4]，經模糊化、模糊控制規則運算和反模糊化處理之后形成控制信號輸出值，對進水閥門進行調節。模糊控制輸出信號范圍為0～255，即16進制的00～FF。其中00表示電磁閥開度為最小的時候，FF表示電磁閥開度為最大的時候，00與FF之間的不同數據表示電磁閥開度的大小程度。通過調節電磁閥開度，調節進水量，實現定制控制。

由圖7和圖8可以看出，PID控制和模糊控制都能夠實現對實際系統的有效控制。但模糊控制與PID控制相比，產生的超調量比較小，調節時間比較短，魯棒性會更強[5]。模糊控制可以讓電磁閥更平穩有效地工作，同時它還會降低水位的波動所引起的干擾，從而提高控制系統的可靠性。因此，對于具有多變量、大滯后等特點的非線性系統而言，模糊控制更為有效。

4結語

通過無線傳感網信號傳輸，結合Labview軟件，可以實現復雜系統的有效控制;同時，也驗證了在無線網絡控制系統中，模糊控制算法的控制效果優于PID控制方法。因此將無線網絡、有線網絡相結合，用于環境復雜、不便于布線的生產現場，可以實現無線數據傳輸和系統控制，從而降低了工人的勞動強度，改善了操作環境，減少了資源消耗;該方法還可以應用于其他行業，具有廣泛的推廣價值。

[參考文獻]

[1]王新智，胡曉穎.無線傳感器網絡應用技術研究[J].科技資訊，2013（32）：27.

[2]林喜輝.無線傳感器網絡應用技術研究[J].計算機與網絡，2013，39（17）：59-61.

[3]徐曉東， 鄭對元， 肖武. LabVIEW 8.5常用功能與編程實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]張永勝，高宏力，劉慶杰. 基于LabVIEW的模糊控制系統設計[J].儀表技術與傳感器，2012（3）：27-29.

[5]何春華，蔡志崗.基于LabVIEW的模糊PID控制系統[J].儀表技術，2010（7）：57-59+62.

（責任編輯白麗媛）