基于Mesh网络的工厂供气监测系统研究

郭 杰，雷 刚，施 芸，王 涛

GUO Jie, LEI Gang, SHI Yun, WANG Tao

（四川工程职业技术学院，德阳 618000）

0 引言

大型制造业企业中，生产设备和各个生产环节对于各种气体的消耗量较大。例如焊接环节的氧气、乙炔等可燃气体，以及氩气、氦气等保护气体。如果使用每个工段独立供气的方式，对于厂区建设和设备维护都会提出很大的挑战。为此，现代的很多大型工厂使用集中供气模式，集中建设一个独立的供气站，通过预埋的供气管网为各个工段进行集中供气。但在集中供气的设计中，为保证供气站和各个供气点的安全，必需建立一套与之配套的集中供气监测系统。传统的监测系统通常使用有线通信方式，网络布线复杂，升级改造成本较高。另一种方式是采用无线公共网络，如GPRS等方式实现，该方式速度快、数据流量大、网络可靠、传输距离大等优点。但在运行的过程中需要长期花费不菲的网络通信费用，对于长期使用的监测网络来说，显得不够经济。对此，使用基于ZigBee技术的Mesh网络结构进行无线监测网络的构建可以很好的解决供气站监测系统设计问题。

1 工业无线技术简介

在工业领域中，具备相关技术规范，且影响巨大有相关设备应用的主要包含四种无线技术，分别是ZigBee技术、无线HART、SP100和WIAPA技术。

图1 ZigBee网络的三种拓扑结构

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是由ZigBee Alliance于2004 年正式推出的短距离无线通信技术标准，它的物理层和数据链路层采用IEEE802.15.4规范，在此基础上定义了标准化的网络层、应用层和安全层，支持应用层和网络层的安全操作。同时，通过行规

(Profile)的形式，对各种可能的应用进行了标准化。

ZigBee标准近年来也根据不同的应用需求进行了多次修改，目前主要有三个版本，即ZigBee2004版、ZigBee2006 版和ZigBee PRO版。前期的两个版本主要适用于家庭自动化、无线抄表等领域。ZigBee PRO为其最新的版本，主要针对在工业领域的应用进行了修改，增加高级功能和更高灵活性的ZigBee PRO框架堆栈，其增强特别体现在易用性和对大型网络的支持方面，增加了网络可伸缩性、分解片段（分解较长消息和实现与其它协议和系统交互的能力）、频率捷变和自动设备寻址管理能力。

ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，如图1所示（图中黑色节点代表网络协调器，白色节点代表路由器和终端）。

1.2 无线HART技术

2004年HART通信基金会宣布开始制定无线HART协议，2007年无线HART的规范和通信协议协议通过。HART技术的主要参与者有：Emerson、ABB、Siemens、Dust Networks等， 根据相关统计，已经有超过3000万台（套）设备使用了该技术标准。但对于普通用户，HART没有商用版本的开发套件，也没有商用版本的协议栈可用，开发难度大，开发周期长。

1.3 SP100技术标准

SP100 是一个覆盖整个工业自动化应用的标准，由美国仪表系统和自动化学会提出。SP100与无线HART技术特点类似，也是采用无线网格型网络通信协议,物理层和数据链路层通过与IEEE 802.15.4 兼容的直接序列序扩频DSSS 和跳频扩频技术FHSS 进行数据传送。

1.4 WIA-PA技术标准

WIA-PA标准是我国提出的具有自主知识产权的工业现场无线标准。物理层同样常用与IEEE 802.15.4 兼容的信号传输方式。在国内已经有成功的应用案例，具有一定的发展前景。

2 监测系统设计

2.1 总体设计

图2 系统网络拓扑图

在传统的无线局域网中，每个客户端均通过一条与AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络，形成一个局部的BSS(Basic Service Set)。用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。可以解决由于某一个AP流量过大而导致拥塞的问题，数据可以自动重新进行规划，而通过流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包可以根据网络实际拥塞情况进行数据传输，实现数据包的多跳访问，实现多跳网络，增强系统的稳定性和可靠性。

对于Mesh网络的构建可以采用前文所述的四种方法。无线HART技术具有广泛应用，成熟产品多。但是由于无线HART技术受到几家大公司的技术垄断，开发性差，对于普通用户开发难度较大，成本高、开发周期长。SP100和WINPA技术处于起步阶段，相关资源相对较少，开发难度较大。相对而言，ZigBee技术开放性强，自从2004年技术标准公布以来，在无线网络领域得到了广泛的应用，相关开发工具、开发套件较多。采用ZigBee技术构建Mesh网络，对于降低开发成本，节约开发周期具有较大的优势。

基于以上因素，在供气站监测系统项目的Mesh网络设计中采用ZigBee无线技术，系统网络结构如图2所示。

该系统由网关、ZigBee路由器、各种监测点（ZigBee终端节点）组成，构成一个基于ZigBee无线技术的Mesh网络。各种监测到的数据通过ZigBee终端节点和路由器的转发，到达ZigBee网关，ZigBee网关接收到数据后，将数据信息转换为MODBUS格式的数据包，供总线上的显示和处理结点使用。

在该系统中使用的网关是系统的核心部分，需要完成以下功能：

1）承担ZigBee网络协调器功能，完成网络的组建，路由表的生成、节点地址的分配、网络的管理和协调等工作。

2）需要将从网络节点、路由器得到的测量数据转换为MODBUS格式的数据包，供总线上的显示和处理结点使用。

3）接收总线上接收的控制命令，完成相应的工作。

图3 ZigBee路由器和监测节点电路图

2.2 ZigBee路由器和监测节点设计

ZigBee路由器和监测节点使用相同的电路结构，均采用CC2530进行电路设计，如图3所示。

CC2530是TI 公司推出的 ZigBee/IEEE 802.15.4标准的系统级芯片，采用0.18μm CMOS工艺，工作电流损耗为27mA。具备休眠模式与主动模式超短时间转换响应特性，降低系统功耗，提高电池的使用时间。

CC2530集成了一个高性能的 RF 收发器和一个优化的低功耗的 8051微控制器内核，8KB的RAM，32/64/128/256KB可选闪存，以及其他强大的支持功能和外设，允许芯片无线下载，支持系统编程；同时，其自带2.4GHz高性能 RF 收发器，需要用户外接的主要包括32MHZ主时钟、32K副时钟、射频天线输出和用户自定义的串行通信接口，基于以上特性使CC2530成为一个典型的SOC系统，简化了电路结构，减轻使用者的硬件开发成本和周期。其次，该芯片还具有集成开发环境、完善的开发工具包。该芯片开发的产品已经广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域。

在该系统中路由器需要完成以下功能：

1）由于ZigBee模块的功率限制，通常传输距离小于100米，需要通过在各个厂区布置的路由器进行数据的转发和中继，实现数据的接力传输。

2）当网络中的部分路由器功能丢失时，可以通过附近的路由器进行数据传递，增加系统的稳定可靠性。

对于工厂供气过程中，使用厂区的主要检测对象为：气体的压力和温度，以及节点供电电池电量状态。在实际应用中使用相对应的压力和温度检测传感器将其转换为模拟变化的电压信号，然后使用CC2530内部自带的AD转换器进行模数转换，得到对用的压力和温度数据。

图3中围绕核心器件CC2530构成ZigBee路由器和监测节点电路结构。在实际工作过程中，CC2530周期巡检温度、压力和电池电压数据，并通过ZigBee向网关发送该节点的测量结果，实现无线监测目的。

为便于工作人员的监测，利用P1.1-P1.5构成的通信接口J1连接一个串行的液晶显示模块和3个独立式按键K1-K3。利用按键显示模块，可以实时的观察本节点和网络中其他节点的状态。使用时，当需要在LCD上显示数据时，通过按键K1激活显示模块，通过按键K2和K3选择需要监测的数据选项，监测完成后，可以通过K1关闭显示模块，达到节能的目的。

对于各监测节点和路由器节点，由于使用电池供电，对于节能的管理必需严格，在节点的控制策略中必须严格控制CPU的工作状态，尽量使CPU处于睡眠状态。同时在节点预留充电接口和太阳能电池板输出接口，对于户外安装的节点，可以采用太阳能电池板供电，对于室内安装的节点，使用直流充电器对电池充电。

2.3 软件系统设计

1）网关软件设计

网关在上电后，根据环境情况，进行网络Mesh网络的组建。具体流程如图4所示：应用层向网络层发送网络创建源语请求，网路层收到请求后，向MAC层发送频率侦测请求和信道上设备扫描，经过MAC层的处理，MAC层反馈网络层确认信息和参数信息。网络层通过MAC层的反馈参数，建立一个新的网络，并选择一个PAN标识符，网络层选定PAN标识后，以0X00作为自己的网络地址，最后向MAC层发送网络运行源语，经过MAC层的确认后，网络开始运行，一个新的网络建立成功。

图4 网络建立流程图

图5 节点加入网络流程图

2）节点的动态入网

在网络建立后，网关协调器作为网络的第一个节点，系统中的其余路由器和监测节点需要进入Mesh网络，成为网络的节点。根据系统硬件设计，采用的Zigbee模块有效接收距离为100米以内，所以在此范围内的节点（路由器和监测节点）可以直接和协调器连接，成为第一层子节点。具体流程如图5所示，首先节点的应用层发出网络扫描命令，网络层通过MAC层进行在设定频率点上的信号监测，MAC层通过分析返回频率点上的情况，网络层给出频点上的网络列表；其次应用层选择网络加入，网络层通过MAC层发出请求信号，协调器MAC层接收到来之节点的请求信号，返回给协调器；最后协调器分配给节点16位ID地址，通过MAC层输出相应信息，子节点收到信息后，以分配的16位数据地址作为自己的ID号，节点加入网络过程结束。

在第一层子节点完成网络的接入后，系统中其余未加入网络的节点可以通过已经加入网络的节点接入网络，以此类推，网络中的其余节点依次加入网络中。

3）监测数据处理

对于监测节点的监测信息，采用定时发送方式。各监测节点每5分钟巡检一次，监测数据包含压力、温度信息以及节点的电池电量信息，为保证节点的电量，其余时间节点处于休眠状态。对于节点的监测数据，采用Zigbee标准的MSG帧格式进行打包处理，MSG帧中包含数据长度和数据构成，根据系统的需要数据中包含采集数据、采集时间、脚本和数据请求四种数据。在实际传输过程中，各节点通过相邻的节点将数据传递出去，最终到达网关协调器。通过网关的数据拆分和处理，将数据转换为标准的MODBUS格式的数据包，供总线上的显示和处理结点使用。

3 结束语

对于工厂供气监测系统，由于厂区的分散性，使用ZigBee技术构建的Mesh网络很适合实际需要。在实际应用中，ZigBee网络具有可靠性和稳定性较高的特点，同时抗干扰能力较强，对于工业应用较为适合。该方式在输气、输油管网的监测中，可以广泛的应用。

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