基于Zigbee的無線技術在工業自動化中的應用

蘇忠國

（中石化第四建設有限公司，天津 300270）

1 Zigbee無線技術概述

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的能量有限的微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的多跳的自組織的網絡系統，具有精度高、覆蓋范圍廣以及可遠程監測等特點。Zigbee無線網絡可由多個節點組成，節點越多，網絡越穩定，適應性與容錯性能越強。即使其中某些節點故障，Zigbee無線網絡也會自動通過其他正常節點來重新規劃路由，從而保證網絡正常工作。Zigbee無線技術在數據傳輸領域的最典型應用是自動抄表系統。這個抄表系統是電力局自行建網，因此不收取任何額外費用。Zigbee無線網絡的超大容量，可以覆蓋所有需要覆蓋的地域[1]。

2 Zigbee無線技術的優勢及特征

2.1 ZigBee無線技術的優勢

ZigBee是IEEE 802.15.4協議的商業名稱。近年來，該協議已經被廣泛應用于各個領域，并協議處理器所需要的價格相當低，能夠節約成本支出。ZigBee技術具有許多優點，由于它主要用于睡眠模式中，傳輸功率僅為1 MW，能夠達到節電能耗的目的，維持時間為6個月至2年。ZigBee技術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激活睡眠工作狀態，完成設備搜索任務，可以滿足不同行業的基本需求[2]。

ZigBee的優勢在于其擁有較大的網絡容納能力，僅需要一個星型的ZigBee網絡，就能夠承載254個子節點和1個主節點。ZigBee通過碰撞避免模式，能夠在一定程度上有效避免在數據傳輸過程中發生競爭和沖突，說明ZigBee技術具有較高的可靠性。在安全方面，ZigBee提供了一種循環冗余校驗方法，通過AES-128數據信息的加密模式，使每一個數據信息均能夠在一定程度上確定最佳屬性。ZigBee協議棧主要由物理層、數據鏈路層、網絡層以及應用層構成，能夠通過低配置的芯片實現較多的功能。

2.2 ZigBee無線技術的網絡特征

ZigBee技術與其他無線通信技術相比較而言，具有如下5個特征。第一，網絡承載數據量大。網絡整體組成結構較為靈活，不同區域范圍內部包含至少上百個微型網絡，每一個微型網絡內部可以設定成百上千的WSN數據終端，在此基礎上能夠構成完備的數據傳輸信息系統。第二，實時性。通常，該系統處于等待模式，一旦觸及，會立即切換至工作狀態，數據節點反饋速度快。而當新的終端設備連接到系統時，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網絡層采用的協議相對簡單，通信控制裝置并不包括復雜數據，但性價比具有一定競爭優勢。第四，自組織網絡。在系統網絡中，數據信息節點的信號傳輸，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點，將需要傳遞的數據發送至該節點位置處，節點數據的轉移不會對整體造成影響。第五，低功耗。在無線智能灌溉系統的設計中，通過傳感器節點收集應用狀態下的數據所需信息，若系統設計的節點越少，那么需要采集的數據信息量就相對較少，能夠在一定程度上節省功耗。

3 基于Zigbee的無線技術在工業自動化中的應用

3.1 工業環境采集數據信息

在工業自動化的組網上，大部分都采用有線組網模式，該模式投入成本高昂，監控便捷性差，感知性較低，不適合大量應用。傳統的工業自動化系統主要以中心控制設備為主體，設備體積相對較大，占地面積過多，極大的浪費資源。在系統的應用層面上，一般均通過短信或監控平臺獲取相應的工業環境數據，這樣就會過度網絡依賴，不能實時地對工業環境進行溫濕度和光照等環境監測。

根據上述詳細分析，在模糊控制基礎上通過異網結構數據模式進行相應的工業環境數據傳輸，從而搭建基于Zigbee的無線網絡數據節點，其設計要求主要包括如下5個方面。第一，通過不同類型的Zigbee傳感器進行多因子數據信息采集，實時監控相應的工業環境數據。第二，基于Zigbee的無線網絡數據節點網絡結構部署簡單，采用無線組網模式將不同監測節點組合，確保數據傳輸穩定性。第三，系統可以進行電池充電，通過監控節點進行高達2個月的正常工作任務，其中數據控制中心能夠根據實際情況對需求信息進行管理和控制。第四，具備人機數據信息交互能力，可以通過遠程模式實時進行數據信息傳輸和控制。第五，用戶根據自身的需求，通過設備終端對工業環境中的作物進行實時訪問和設備調控。

3.2 工業自動化平臺搭建與應用

對于工業自動化的數據采集系統而言，遠程中心控制端可以通過服務器在線模式，訪問工業自動化運營系統內部數據，且對該部分數據進行分析和管理，基于Zigbee的無線技術能夠采集相關數據信息，實時監測工業環境中不同產品的基本狀況，通過數字和圖像的方式，充分展示出產品的基本活動及環境信息。

為了確保系統的正常高效運行，需要對系統的報警功能和日志等進行控制和管理，方便相關人員定期根據系統的基本情況進行合理維護。系統的報警功能包括實時報警和歷史報警，當指示器和蜂鳴器不斷閃爍進行示意提醒時，則為實時警報，若采集到的實際環境信息與預設量值存在差額，系統將會發出警告通知。歷史報警信息，主要是將實時報警信息存儲在系統數據庫，根據用戶的基本要求，能夠隨時查詢歷史記錄，為管理者分析產品基本數據。在對工業環境進行的數據監測和存儲，在實際應用過程中根據使用周期提供工業環境參數，通過獲取的大量產品數據信息，對該時間段內產品基本情況進行總結。在系統遠程中心控制界面，根據假定的前提條件設置工業環境內適合產品基本的環境參數，同時對工業環境內的每個數據節點，設置報警周期、閾值范圍以及上傳延時等。

3.3 手機APP與服務器數據交互傳輸

工業環境將根據實際情況，劃分為不同的區域范圍，每個區域范圍都是獨立個體。根據功能劃分的基本依據，在工業環境區域范圍中部署數據節點，其主要包括網關協調節點、數據采集節點、數據控制節點以及路由節點。對于系統網絡中的網關協調節點而言，其在整個系統架構中主要負責創建網絡，并通過相應的數據轉換標準，將ZigBee與4G進行通信轉換。對于數據控制節點而言，其在系統中主要根據自身的特點對電磁閥的開關進行合理控制。對于路由節點而言，需要將網絡中傳輸的數據信號進行轉發，在轉發過程中及時發現最優路徑。路由節點部署策略關系到整個工業自動化運營系統的正常運行，系統內設置的全部路由節點需要覆蓋整個灌溉范圍，以確保系統終端能夠正常接收全部產品的詳細信息。

基于ZigBee的無線網絡數據采集節點，主要用來測量基本量值信息數據，不同區域范疇內的采集節點需根據實際情況進行部署，設置參數量值為全部ZigBee數據采集節點測量平均值，此時在每個區域范圍內設置兩個控制節點。將基于ZigBee的無線網絡劃分成不同的區域，不僅能夠在一定程度上提高抗干擾能力，還增強系統的可擴展性。對于每個網絡組織結構而言，均具有遠程交互功能，能夠將該區域范圍內參數量值數據通過網絡傳輸至系統的控制中心。用戶可以通過連接的數據網絡，直接訪問控制中心。對于遠程監控中心而言，其主要用來接收基于ZigBee的無線網關傳輸的數據信息，然后根據信息內容將其劃分為不同模塊，最終存儲在系統的數據庫內。一旦監測到請求信號指令，服務器立即響應并建立實時連接，監控中心將根據指令管理控制相應閥門。用戶可以通過手機APP與服務器建立交互，從而根據自身的實際需求完成對工業自動化的加工生產進行管理。

4 基于Zigbee的無線技術在工業自動化中的應用優勢

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，而線纜鋪設費時費力，有時，由于某些工業環境（例如高溫高壓）及其地理位置的特殊性（如經過山河、湖泊等），線纜鋪設十分困難。即使線纜鋪設完成，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，工業自動化中投入基于ZigBee無線網絡技術，就可以很好地規避有線網絡的不足?；赯igBee無線網絡系統建設簡單，可以節省線纜資源，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行維護更換的工作需要。例如，一個用485協議通信的網絡，如果系統間的485電纜出現損壞或接點松動情況，整個通信系統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的無線網絡如果其中一個接點出現故障，不會對其他接點產生影響，而且所有問題都會集中在節點設備上，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 追加節點，擴展性與包容性強

在通信網絡建好以后，常常會因為在運行過程中的某些對系統操作和維護的特殊需要而增加新的設備節點，如果采用有線方式就要鋪設新的線纜，更嚴重的可能需要拆除原來的通信線纜。由此可見，有線通信網絡的增容能力較差，應對突變情況的能力不強，如果處理不當還可能對整個網絡系統造成非常嚴重的損壞。在基于ZigBee的無線網絡系統中由于生產或者通信等原因需要增加節點時，操作過程就簡單很多，無需鋪設新的有線線纜，只需在網絡系統中加入新的接入點，然后在組態軟件中進行簡單的調整修改即可。由此可見，基于ZigBee的無線網絡技術相對有線技術體現出了更強的擴展與包容性，應對突發情況的能力也比有線技術強，有利于工業自動化生產過程中的監測與控制。

4.3 位置調整輕松簡單

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

4.4 穩定性及抗干擾性強，安全系數高

有線網絡技術對外界環境要求高，由于有線技術中有線纜的因素，所以當周邊環境不適合有線技術設備的使用時，或者在人為因素的情況下，就很容易出現故障。而基于ZigBee的無線網絡技術在整個生產過程中的信息保密性較高，任何一條基于ZigBee的無線技術都可以設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。基于ZigBee的無線技術可以通過改變其自身的頻率來應對外界惡劣環境的變化，有較強的抗干擾性和穩定性。

5 結 論

科學技術在不斷進步，工業生產設備也在不斷的更新換代，ZigBee無線技術以其簡單、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，工業生產可以節省更多的成本，提升了工作效率，減少了工作程序，同時還可以提高企業的效益。ZigBee無線通信技術發展前景廣闊，因此，對ZigBee無線技術進行研究顯得非常重要。