蘇忠國

（中石化第四建設(shè)有限公司，天津 300270）

1 Zigbee無線技術(shù)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的能量有限的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有精度高、覆蓋范圍廣以及可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)可由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，適應(yīng)性與容錯(cuò)性能越強(qiáng)。即使其中某些節(jié)點(diǎn)故障，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)也會(huì)自動(dòng)通過其他正常節(jié)點(diǎn)來重新規(guī)劃路由，從而保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。Zigbee無線技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的最典型應(yīng)用是自動(dòng)抄表系統(tǒng)。這個(gè)抄表系統(tǒng)是電力局自行建網(wǎng)，因此不收取任何額外費(fèi)用。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)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(shù)的優(yōu)勢(shì)及特征

2.1 ZigBee無線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的商業(yè)名稱。近年來，該協(xié)議已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并協(xié)議處理器所需要的價(jià)格相當(dāng)?shù)?，能夠?jié)約成本支出。ZigBee技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，由于它主要用于睡眠模式中，傳輸功率僅為1 MW，能夠達(dá)到節(jié)電能耗的目的，維持時(shí)間為6個(gè)月至2年。ZigBee技術(shù)的通信延遲相對(duì)較短，只需30 ms，并且只需要15 ms就能夠在第一時(shí)間內(nèi)激活睡眠工作狀態(tài)，完成設(shè)備搜索任務(wù)，可以滿足不同行業(yè)的基本需求[2]。

ZigBee的優(yōu)勢(shì)在于其擁有較大的網(wǎng)絡(luò)容納能力，僅需要一個(gè)星型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，就能夠承載254個(gè)子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)主節(jié)點(diǎn)。ZigBee通過碰撞避免模式，能夠在一定程度上有效避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)和沖突，說明ZigBee技術(shù)具有較高的可靠性。在安全方面，ZigBee提供了一種循環(huán)冗余校驗(yàn)方法，通過AES-128數(shù)據(jù)信息的加密模式，使每一個(gè)數(shù)據(jù)信息均能夠在一定程度上確定最佳屬性。ZigBee協(xié)議棧主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層構(gòu)成，能夠通過低配置的芯片實(shí)現(xiàn)較多的功能。

2.2 ZigBee無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特征

ZigBee技術(shù)與其他無線通信技術(shù)相比較而言，具有如下5個(gè)特征。第一，網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)量大。網(wǎng)絡(luò)整體組成結(jié)構(gòu)較為靈活，不同區(qū)域范圍內(nèi)部包含至少上百個(gè)微型網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)微型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以設(shè)定成百上千的WSN數(shù)據(jù)終端，在此基礎(chǔ)上能夠構(gòu)成完備的數(shù)據(jù)傳輸信息系統(tǒng)。第二，實(shí)時(shí)性。通常，該系統(tǒng)處于等待模式，一旦觸及，會(huì)立即切換至工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)反饋速度快。而當(dāng)新的終端設(shè)備連接到系統(tǒng)時(shí)，可以快速連接并運(yùn)行，極大地縮短了反饋時(shí)間。第三，低成本。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用的協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，通信控制裝置并不包括復(fù)雜數(shù)據(jù)，但性價(jià)比具有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。第四，自組織網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)的信號(hào)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(jié)點(diǎn)，將需要傳遞的數(shù)據(jù)發(fā)送至該節(jié)點(diǎn)位置處，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移不會(huì)對(duì)整體造成影響。第五，低功耗。在無線智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過傳感器節(jié)點(diǎn)收集應(yīng)用狀態(tài)下的數(shù)據(jù)所需信息，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)越少，那么需要采集的數(shù)據(jù)信息量就相對(duì)較少，能夠在一定程度上節(jié)省功耗。

3 基于Zigbee的無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

3.1 工業(yè)環(huán)境采集數(shù)據(jù)信息

在工業(yè)自動(dòng)化的組網(wǎng)上，大部分都采用有線組網(wǎng)模式，該模式投入成本高昂，監(jiān)控便捷性差，感知性較低，不適合大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要以中心控制設(shè)備為主體，設(shè)備體積相對(duì)較大，占地面積過多，極大的浪費(fèi)資源。在系統(tǒng)的應(yīng)用層面上，一般均通過短信或監(jiān)控平臺(tái)獲取相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)過度網(wǎng)絡(luò)依賴，不能實(shí)時(shí)地對(duì)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行溫濕度和光照等環(huán)境監(jiān)測(cè)。

根據(jù)上述詳細(xì)分析，在模糊控制基礎(chǔ)上通過異網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模式進(jìn)行相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸，從而搭建基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)要求主要包括如下5個(gè)方面。第一，通過不同類型的Zigbee傳感器進(jìn)行多因子數(shù)據(jù)信息采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控相應(yīng)的工業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)。第二，基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部署簡(jiǎn)單，采用無線組網(wǎng)模式將不同監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組合，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。第三，系統(tǒng)可以進(jìn)行電池充電，通過監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高達(dá)2個(gè)月的正常工作任務(wù)，其中數(shù)據(jù)控制中心能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)需求信息進(jìn)行管理和控制。第四，具備人機(jī)數(shù)據(jù)信息交互能力，可以通過遠(yuǎn)程模式實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸和控制。第五，用戶根據(jù)自身的需求，通過設(shè)備終端對(duì)工業(yè)環(huán)境中的作物進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問和設(shè)備調(diào)控。

3.2 工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)搭建與應(yīng)用

對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，遠(yuǎn)程中心控制端可以通過服務(wù)器在線模式，訪問工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)營系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，且對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，基于Zigbee的無線技術(shù)能夠采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)環(huán)境中不同產(chǎn)品的基本狀況，通過數(shù)字和圖像的方式，充分展示出產(chǎn)品的基本活動(dòng)及環(huán)境信息。

為了確保系統(tǒng)的正常高效運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)的報(bào)警功能和日志等進(jìn)行控制和管理，方便相關(guān)人員定期根據(jù)系統(tǒng)的基本情況進(jìn)行合理維護(hù)。系統(tǒng)的報(bào)警功能包括實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警，當(dāng)指示器和蜂鳴器不斷閃爍進(jìn)行示意提醒時(shí)，則為實(shí)時(shí)警報(bào)，若采集到的實(shí)際環(huán)境信息與預(yù)設(shè)量值存在差額，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警告通知。歷史報(bào)警信息，主要是將實(shí)時(shí)報(bào)警信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)用戶的基本要求，能夠隨時(shí)查詢歷史記錄，為管理者分析產(chǎn)品基本數(shù)據(jù)。在對(duì)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用過程中根據(jù)使用周期提供工業(yè)環(huán)境參數(shù)，通過獲取的大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，對(duì)該時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)品基本情況進(jìn)行總結(jié)。在系統(tǒng)遠(yuǎn)程中心控制界面，根據(jù)假定的前提條件設(shè)置工業(yè)環(huán)境內(nèi)適合產(chǎn)品基本的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)對(duì)工業(yè)環(huán)境內(nèi)的每個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置報(bào)警周期、閾值范圍以及上傳延時(shí)等。

3.3 手機(jī)APP與服務(wù)器數(shù)據(jù)交互傳輸

工業(yè)環(huán)境將根據(jù)實(shí)際情況，劃分為不同的區(qū)域范圍，每個(gè)區(qū)域范圍都是獨(dú)立個(gè)體。根據(jù)功能劃分的基本依據(jù)，在工業(yè)環(huán)境區(qū)域范圍中部署數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，其主要包括網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)以及路由節(jié)點(diǎn)。對(duì)于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)而言，其在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，將ZigBee與4G進(jìn)行通信轉(zhuǎn)換。對(duì)于數(shù)據(jù)控制節(jié)點(diǎn)而言，其在系統(tǒng)中主要根據(jù)自身的特點(diǎn)對(duì)電磁閥的開關(guān)進(jìn)行合理控制。對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)而言，需要將網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路徑。路由節(jié)點(diǎn)部署策略關(guān)系到整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化運(yùn)營系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的全部路由節(jié)點(diǎn)需要覆蓋整個(gè)灌溉范圍，以確保系統(tǒng)終端能夠正常接收全部產(chǎn)品的詳細(xì)信息。

基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，主要用來測(cè)量基本量值信息數(shù)據(jù)，不同區(qū)域范疇內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行部署，設(shè)置參數(shù)量值為全部ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)測(cè)量平均值，此時(shí)在每個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置兩個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。將基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的區(qū)域，不僅能夠在一定程度上提高抗干擾能力，還增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。對(duì)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)而言，均具有遠(yuǎn)程交互功能，能夠?qū)⒃搮^(qū)域范圍內(nèi)參數(shù)量值數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)的控制中心。用戶可以通過連接的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，直接訪問控制中心。對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心而言，其主要用來接收基于ZigBee的無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，然后根據(jù)信息內(nèi)容將其劃分為不同模塊，最終存儲(chǔ)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。一旦監(jiān)測(cè)到請(qǐng)求信號(hào)指令，服務(wù)器立即響應(yīng)并建立實(shí)時(shí)連接，監(jiān)控中心將根據(jù)指令管理控制相應(yīng)閥門。用戶可以通過手機(jī)APP與服務(wù)器建立交互，從而根據(jù)自身的實(shí)際需求完成對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的加工生產(chǎn)進(jìn)行管理。

4 基于Zigbee的無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有時(shí)，由于某些工業(yè)環(huán)境（例如高溫高壓）及其地理位置的特殊性（如經(jīng)過山河、湖泊等），線纜鋪設(shè)十分困難。即使線纜鋪設(shè)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(hù)工作量相對(duì)較大，一旦出了故障，順著線纜查找故障點(diǎn)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，維修起來很不方便且費(fèi)用也比較大。

相對(duì)而言，工業(yè)自動(dòng)化中投入基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就可以很好地規(guī)避有線網(wǎng)絡(luò)的不足?；赯igBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)簡(jiǎn)單，可以節(jié)省線纜資源，從而減少成本投入，故障查找及排除簡(jiǎn)單快速，后期維護(hù)工作量小，沒有線纜老化損壞而進(jìn)行維護(hù)更換的工作需要。例如，一個(gè)用485協(xié)議通信的網(wǎng)絡(luò)，如果系統(tǒng)間的485電纜出現(xiàn)損壞或接點(diǎn)松動(dòng)情況，整個(gè)通信系統(tǒng)的所有信號(hào)都會(huì)因?yàn)檫@一根電纜而丟失，而且問題排查困難且耗時(shí)。而基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)如果其中一個(gè)接點(diǎn)出現(xiàn)故障，不會(huì)對(duì)其他接點(diǎn)產(chǎn)生影響，而且所有問題都會(huì)集中在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，不存在中間線纜的問題，相對(duì)來說查找處理問題更簡(jiǎn)單直觀。

4.2 追加節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展性與包容性強(qiáng)

在通信網(wǎng)絡(luò)建好以后，常常會(huì)因?yàn)樵谶\(yùn)行過程中的某些對(duì)系統(tǒng)操作和維護(hù)的特殊需要而增加新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，如果采用有線方式就要鋪設(shè)新的線纜，更嚴(yán)重的可能需要拆除原來的通信線纜。由此可見，有線通信網(wǎng)絡(luò)的增容能力較差，應(yīng)對(duì)突變情況的能力不強(qiáng)，如果處理不當(dāng)還可能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的損壞。在基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中由于生產(chǎn)或者通信等原因需要增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，操作過程就簡(jiǎn)單很多，無需鋪設(shè)新的有線線纜，只需在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中加入新的接入點(diǎn)，然后在組態(tài)軟件中進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整修改即可。由此可見，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相對(duì)有線技術(shù)體現(xiàn)出了更強(qiáng)的擴(kuò)展與包容性，應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力也比有線技術(shù)強(qiáng)，有利于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的監(jiān)測(cè)與控制。

4.3 位置調(diào)整輕松簡(jiǎn)單

基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)設(shè)備位置可以隨意調(diào)整，不受外界條件的約束限制。在生產(chǎn)的過程中，由于某些原因需要對(duì)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置進(jìn)行調(diào)整，只要該設(shè)備本身沒有故障，執(zhí)行工作的能力正常，就能夠把它移動(dòng)到能夠接收到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的任意位置，而且這個(gè)操作過程非常簡(jiǎn)單，幾乎不消耗成本。但是在有線網(wǎng)絡(luò)中，如果需要調(diào)整一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置，需要為新位置選擇一個(gè)合適的節(jié)點(diǎn)，在設(shè)備與節(jié)點(diǎn)之間敷設(shè)新的線纜，工作量和難度較巨大。

4.4 穩(wěn)定性及抗干擾性強(qiáng)，安全系數(shù)高

有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)外界環(huán)境要求高，由于有線技術(shù)中有線纜的因素，所以當(dāng)周邊環(huán)境不適合有線技術(shù)設(shè)備的使用時(shí)，或者在人為因素的情況下，就很容易出現(xiàn)故障。而基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在整個(gè)生產(chǎn)過程中的信息保密性較高，任何一條基于ZigBee的無線技術(shù)都可以設(shè)置屬于其本身的加密方式，提高了整個(gè)線路中的信息的安全性，被竊聽和盜取的概率小?；赯igBee的無線技術(shù)可以通過改變其自身的頻率來應(yīng)對(duì)外界惡劣環(huán)境的變化，有較強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備也在不斷的更新?lián)Q代，ZigBee無線技術(shù)以其簡(jiǎn)單、便捷以及安全可靠的特點(diǎn)贏得各大廠家的青睞。通過ZigBee無線技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)可以節(jié)省更多的成本，提升了工作效率，減少了工作程序，同時(shí)還可以提高企業(yè)的效益。ZigBee無線通信技術(shù)發(fā)展前景廣闊，因此，對(duì)ZigBee無線技術(shù)進(jìn)行研究顯得非常重要。