基于ZIGBEE協議的工業企業環境測繪監測系統研究

孫寒冰 劉德亮

摘 要：在工業自動化、汽車制造、能源和電網電力等工業制造或生產領域中，經常需要對離散空間工作場所進行生產或制造車間圖像視頻信號和工作現場機器環境監測性能參數進行實時監控和調度，以便行政管理部門對工作現場領域進行遠程控制和指揮調度。為了解決當今工業企業生產領域中實時工業環境測繪監測系統數據不能實現跨域傳輸和數據速率延時等問題，提出了一種基于ZIGBEE協議的工業環境監測系統。

關鍵詞：ZIGBEE協議；工業環境監測系統

基于ZIGBEE總線協議（簡稱ZIGBEE協議）的工業企業環境測繪監測系統信號聯網跨域的限制，實現了工業生產現場遠程環境數據采集和生產設備的性能參數數據實時上傳管理，大大提高了數據傳輸的速率、性能和時效性。

一、工業環境監測系統結構總體設計

遠程在線監控系統的主控制芯片采用SUN公司生產的同構四核處理器AthZIGBEE 64，該64位處理器由2組AthZIGBEE 64 X2內置芯片和2組AthZIGBEE 64 X4內置芯片組成。AthZIGBEE 64 X2內核主要實現的功能[4]是處理器VxWorks（嵌入式實時操作系統）的安裝、網絡協議異構互連轉換和監控系統內部數據交互。AthZIGBEE 64 X4內核能夠執行一系列高效可靠算法來實現監控系統的浮點控制數據計算，四個核心芯片之間的數據互通是利用片上共享前端總線實現的。遠程監控系統的終端層采用支持快速以太網技術的人機交互HMI系統。

二、工業環境監測系統功能設計

遠程監控系統功能設計主要包括了：VxWorks在AthZIGBEE 64上的移植設計、ZIGBEE協議在AthZIGBEE 64芯片上的移植設計、基于三次握手機制的TCP/IP協議棧在VxWorks上的植入設計和HIM系統觸摸屏操作面板程序的開發設計。

（一）ZIGBEE協議在AthZIGBEE 64芯片上的移植

ZIGBEE協議能夠實現工業自動化領域中不同工業設備之間的智能數據交互，是工業自動化領域使用頻率較高的全雙工并行通訊總線協議。在遠程實時監控系統中ZIGBEE協議執行的主要功能是在AthZIGBEE 64芯片上完成ZIGBEE協議的啟動初始化和程序運行過程中斷服務機制。ZIGBEE協議初始化啟動為每個AthZIGBEE 64芯片寄存器參數設置來執行ZIGBEE模塊開始、時間和服務器參數、比特值配置和操作模式調用等功能，然后打開AthZIGBEE 64處理器繼續執行函數高級中斷、中級中斷和低級中斷功能。AthZIGBEE 64芯片上的ZIGBEE中斷服務例程任務包括：測試中斷源、服務器數據采集和服務器響應等。

（二）VxWorks在AthZIGBEE 64芯片上的移植

VxWorks能夠為AthZIGBEE 64芯片提供各類任務管理的函數調度，調度函數的功能主要包括：實時調度TCP/IP協議棧線程、遠程過程調度（RFC）、調度ZIGBEE協議數據的傳輸、調度遠程文件訪問、調度Ethernet網絡數據的傳輸、BSD套接字兼容的編程接口以及時鐘同步等。

（三）TCP/IP協議棧在AthZIGBEE 64芯片上的移植

AthZIGBEE 64數據幀的傳輸過程主要是靠數據幀收發模塊來處理的。當有數據幀發送至幀模塊之后首先啟動啟動Ethernet服務中斷程序，通過中斷服務程序接收進程將數據幀交給TCP/IP協議棧進行封裝處理，然后封裝的數據包被TCP/IP協議棧進行數據包的分解、復用、校驗和丟失等處理工作。在這里，幀收發模塊采用直接數據接收處理機制，不需要AthZIGBEE 64內核CPU直接處理，使得數據幀的傳輸效率和傳輸實時性得到了保障。

（四）VxWorks系統對TCP/IP協議棧的功能調用

當TCP/IP協議棧在AthZIGBEE 64芯片上完成移植之后，VxWorks需要調用TCP/IP協議棧才能具備網絡數據通信功能。TCP/IP協議在通信過程中主要涉及了數據結構函數Data-structure（）、數據封裝函數Data-encapsulation（）、數據解封裝函數Data-decapsulation（）、數據進程函數Data-Process（）和數據接收函數Data-Receives（）的編寫，而VxWorks系統本身設計了數據傳輸過程中涉及的數據結構和函數，因此在TCP/IP協議棧的功能調用時VxWorks系統只要稍加修改便可以實現協議棧的直接功能調用。

三、系統測試環境搭建

系統測試提供1000M光纖IP網絡，將AthZIGBEE 64核心芯片的網絡IP地址設置為168.2.1.1，人機監控系統的網絡出口路由器IP地址設置為168.1.1.1，客戶端主機IP地址設置為192.168.1.1。本地接入路由器IP地址設置為168.2.1.2，對外端口號設置為176，數據傳輸目的IP地址設置為192.168.1.2，端口號設置為176。20套控制終端通過ZIGBEE協議連到AthZIGBEE 64上，然后上電運行監控系統。

作者簡介：孫寒冰，宿州學院專業教師。劉德亮，宿州學院專業教師。

基金項目：安徽省教育廳高校科學研究重點項目2022AH051379。