許佳　張明珊　謝廣濤

【摘要】 Zigbee具有的低功耗、低成本、自組網(wǎng)等特點(diǎn)非常適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信?；赯igbee模塊的通信電路，在ISM頻段的2.4GHz，能夠在高密度鋼結(jié)構(gòu)建筑中（煉油裝置）實(shí)現(xiàn)100米以?xún)?nèi)的可靠通信，結(jié)合電源控制和Zigbee模塊的休眠/喚醒技術(shù)，一次充電能滿(mǎn)足單個(gè)節(jié)點(diǎn)一年以上的工作周期。

【關(guān)鍵詞】 Zigbee 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 無(wú)線(xiàn)通信

一、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在具有高溫、腐蝕、電磁干擾、易燃易爆等特性的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用難度較大。當(dāng)前常見(jiàn)的工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有：（1）Zigbee：底層采用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪(fǎng)問(wèn)層與物理層，適用于低速短距離傳輸。其主要特色有：低功耗、低成本、低速率、自組網(wǎng)、多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、安全可靠[1]。（2）Wi-Fi：基于IEEE802.11，可實(shí)現(xiàn)小范圍（室內(nèi)50～80m2）的高速率（54Mbps）無(wú)線(xiàn)通信。但Wi-Fi必有接入點(diǎn)才能組網(wǎng)，從而使通信距離受限，且因耗電量大而只能有線(xiàn)供電。同時(shí)，高能耗引起較高的表面溫升易造成安全隱患。（3）藍(lán)牙： Bluetooth可實(shí)現(xiàn)近距離（低功率10米，大功率100米）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)備連接，組網(wǎng)應(yīng)用較少。

二、Zigbee的組網(wǎng)

每臺(tái)Zigbee設(shè)備既可以作為終端節(jié)點(diǎn)（End-device），也可以作為路由器（Router），或者以協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）的功能使用[2]。Zigbee設(shè)備會(huì)自動(dòng)尋找最為合適的路由，保證通信鏈路的暢通，最多可以組網(wǎng)65536臺(tái)設(shè)備。

Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕腥N形式：星形、樹(shù)形、網(wǎng)格形。圖1為兼具星形和樹(shù)形拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)的網(wǎng)格形拓?fù)?，能使通信暢通并更有效率，適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

圖1 Zigbee網(wǎng)格形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

三、Zigbee的產(chǎn)品應(yīng)用

煉化企業(yè)屬于典型的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境：電磁干擾，易燃易爆，高密度金屬建筑結(jié)構(gòu)，并且有腐蝕性氣、液體等。在這樣的環(huán)境中，有線(xiàn)的方式建設(shè)周期長(zhǎng)，成本高，檢維修難度大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不靈活，尤其對(duì)于一些高溫、有毒、不易到達(dá)的高處更是如此，而無(wú)線(xiàn)通信的方式可以完美解決這類(lèi)問(wèn)題。

自動(dòng)定點(diǎn)測(cè)厚系統(tǒng)就是在充分研究煉化企業(yè)工作環(huán)境的特殊性的基礎(chǔ)上，為滿(mǎn)足大量壓力容器管道壁厚測(cè)量的要求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的高新技術(shù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)由探頭、無(wú)線(xiàn)變送器、網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)等組成。其中的無(wú)線(xiàn)變送器核心技術(shù)就是Zigbee。本方案使用美國(guó)CEL公司的MeshConnect模塊。該模塊的集成度高，元件數(shù)量少，可以有效降低功率消耗?；谠撃K的外圍電路主要完成對(duì)模塊的供電、控制、射頻信號(hào)的匹配、數(shù)據(jù)采集計(jì)算存儲(chǔ)等功能。

圖2 通信距離與環(huán)境的關(guān)系

本方案使用2.4GHz的頻段，經(jīng)測(cè)試，在空曠地帶，視距傳輸能夠達(dá)到600米，高密度的辦公區(qū)域，可以到60米，而在煉油裝置中，100米以?xún)?nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠通信。

基于Zigbee的在線(xiàn)自動(dòng)定點(diǎn)測(cè)厚系統(tǒng)，已在煉化企業(yè)成功安裝700多個(gè)測(cè)點(diǎn)，所使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠际蔷W(wǎng)格形的，從實(shí)際效果來(lái)看，除卻硬件故障和電池壽命（電池≥1年）的原因，各測(cè)點(diǎn)通信狀況良好，可保證所有測(cè)點(diǎn)永遠(yuǎn)在線(xiàn)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施照片

四、總結(jié)

Zigbee的低功耗、組網(wǎng)自由是其最為實(shí)用的技術(shù)亮點(diǎn)，較低的成本和相對(duì)完善的供應(yīng)鏈?zhǔn)蛊涓菀讓?shí)現(xiàn)針對(duì)性的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，而從實(shí)際的使用效果來(lái)看，煉化企業(yè)復(fù)雜且高危的環(huán)境對(duì)其來(lái)說(shuō)也無(wú)任何難度，因此，Zigbee在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用可謂前景廣闊。未來(lái)，智能化和模塊化將會(huì)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，其結(jié)果，必然使得Zigbee以更低的成本和更高的性能深入到工業(yè)領(lǐng)域的各種無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用中去，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信，乃至物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展起到舉足輕重的作用。