基于FPGA和ZigBee的无线设备点检系统

支彦华

(黄冈大别山发电有限责任公司，湖北 麻城 438300)

1 引言

设备点检是指全过程对设备状态进行动态监控、维护、保障的技术手段。设备点检技术及其相应的制度和技能在20世纪80年代从工业先进国家引入我国，为探索适应我国工业企业的设备管理发展提供了一种有效的方法。点检定修是一种预防性检修手段。尽管目前点检工作还多是作为设备定期检修、状态检修的补充，但点检在发现设备缺陷、预防功能故障发生方面的重要作用已得到充分展示。随着点检技术的发展与技术人员专业素质的提高，点检对设备定期检修、状态检修决策的影响将越来越大，而对于一些设备，点检定修将成为其唯一的检修方式。

随着企业生产规模的不断扩大和生产的多样化发展，离线设备点检方式表现出了一些不足［1］:

(1)专门点检员要对现场几十个甚至几百个指定点进行点检，工作效率低，劳动强度大;

(2)人为测量准确性不高，容易产生漏点、误点、估点等人为错误;

(3)实时性差，1个点检周期对设备点检1次，只能代表设备某个时刻的测量值，而且设备在启动、运行和停止阶段的参数数据有很大差距，所以这种点检方法不能很好地说明设备实际情况;

(4)安全性差，像工矿企业的矿井设备、运输设备、洗选设备等，点检员要靠近设备进行点检，设备在高速运转时，随时都会对点检人员造成危害，所以点检工作存在很大风险。

随着无线通信网络的不断发展，其传输速率和稳定性不断提高，自动控制领域中的无线技术应用逐渐增多［2－3］。基于无线通信的设备点检系统正是无线通信在自动控制方面的一个典型应用。它采用的无线局域网方案能够为传统的人工点检提供一种高效、可靠和经济的自动化解决方案。除了传统的功能之外，无线点检系统还提供了现场点检分析功能，为现场设备维护人员提供了极大的方便。

2 基于ZigBee的无线通讯网络

为了提高无线网络的效率和可靠性，我们参考物联网的设计原理，利用ZigBee协议(IEEE 802.15.4标准)来搭建点检网络。

ZigBee是一种较为新型的无线局域网互联协议［4－5］。为解决已有无线通信技术中功耗大、组网规模小、通信协议过于复杂等问题，IEEE成立802.15.4工作小组，在Home RF Lite无线网络的基础上开发802.15.4协议。2001年，ZigBee联盟成立，随后 Invensys(英国)，Mitsubishi(日本)，Matoraola(美国)和 Philips(荷兰)宣布加入 ZigBee联盟，此后ZigBee迅速发展壮大，于2004年发布 ZigBee 1.0(ZigBee2004)。ZigBee具有很多优点，包括:

·低功耗:两只干电池可支持节点工作半年以上。

·低速度:最高带宽250kbps@2.4G，40kbps@915M，20kbps@868M.2Mbps的规范目前也正在研究当中。

·近距离:一般通信距离在100m以内，目前已经扩展到1km。

·高容量:理论上限65535个，实际上用51核的soc能做到200个，在推出ARM+ZigBee的芯片后应该有较大提高。

·低延时:醒唤时间小于15ms。

·短时延:一般的通信延迟在ms级。

·低成本:ZigBee芯片已经大幅降价。

·高安全:AES－128加密。

·免执照:2.4G全球ISM波段，915M(美国)，868(欧洲)，433(中国*)。

ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4标准定义了最下面的两层:物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架设计。其中应用层框架包括应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。

图1 ZigBee分层结构

ZigBee的拓扑结构主要包括三种，如图2所示。

图2 ZigBee拓扑结构

图中，菱形节点表示ZigBee协调员，方形节点表示ZigBee路由器，圆形节点则表示ZigBee终端设备。

在本应用中，我们采用第一种cluster tree结构。利用这种结构，可以提升终端节点接入数量，加强点检系统的扩展性，并保证了其开放性。

在本课题中，我们实际上是设计和实现一种基于ZigBee的传感器网络。

我们设计的传感器网络包括三个层次:网络层、管理层和接口层。

管理层:该层的主要功能包括管理各个传感器发回的仪器状态信息，评估被检设备的实时状态，做出相应的控制决策，以及训练新的传感器网络节点。

管理层是本点检系统中最重要的一个部分。因为系统对各个设备节点状态的判断需要在这一级做出。对于某些可以量化、易于利用数据表征其错误情况的参数，像设备温度，转速等，本系统将采用自动判断的方式，将设备工作状态直接以结论的方式反馈给使用者。例如，当某一设备在10分钟的时间长度中温度都大于该设备的最高使用温度时，系统就可以直接判断该设备是有问题的，而不用将原始的温度参数发给操作人员，由人工进行判断。但是，对于另外一大部分牵涉层面复杂，难于用直观方式判断的参数，本系统将原始数据以采样的方式传到信息中心，由专业的操作人员对设备的工作状态进行判断。同时，由于现行的无线局域网络都有较大的丢帧率、误码率和延时，因此，管理层还应当具有一定的检错纠错和补偿机制。本系统对某几个关键设备的参数采用ECC检错纠错机制，保证关键设备的反馈状态稳定正确。

网络层的主要工作包括实现ZigBee的MAC层功能，数据帧路由，传输和同步。实际上，网络层包括了ZigBee基础的所有功能，这一层的主要功能将由ZigBee芯片来实现。

接口层主要功能就是为管理层和用户之间提供一个良好的接口。

3 FPGA和系统实现

硬件电路采用模块化设计方法，其主要部分包括核心部件FPGA，传感器网络，数据采集单元，数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等。其中，传感器网络可以在ZigBee框架下完成新加入设备的自动训练。为了配合点检系统扩展性的要求，本系统的数据采集单元采用FMC(FPGA Mezzanine Card)总线，该总线是由FPGA厂商Xilinx公司提出的一种新型接口标准，旨在为基础板(载卡)上的FPGA提供标准的夹层卡尺寸、连接器和模块接口。该接口协议能将I/O接口与FPGA分离，不仅简化了I/O接口模块设计，同时还能最大化载卡的重复使用率。通过FMC接口，我们可以轻松地将扩展的数据采集模块接入到FPGA所在的母版。

图3 系统结构框图

图4 FMC母子接口示意图

除此之外，数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、数据传送方式、功耗管理以及任务管理等;数据传输单元负责与其他节点进行无线通信;电源管理单元为电路提供稳定的电源供应，在睡眠和正常工作模式时切换外围模块电源供应。

CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以Zig-Bee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同版本，它们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

图5 CC2430内部结构框图

图6 传感器子板

最后，我们对系统的FPGA资源消耗进行了评估。由于随着传感器的增加，FPGA的资源，尤其是IO资源消耗将成倍增加，因此在资源评估中，我们只评估了仅有一个传感器节点情况下的资源消耗。

表1 FPGA资源消耗评估情况

从表1可以看出，本系统对FPGA逻辑资源需求量较小，用Spartan3系列的FPGA即能满足需求。当传感器数量较多，需点检系统较多时，对FPGA的IO资源消耗将会增加。

4 结 束 语

提出了一种基于FPGA和ZigBee的无线设备点检系统。该系统通过ZigBee无线网络取代了传统的人工点检方式，相比后者，本系统具有自动化、可靠性高、经济、准确性强和可扩展性强的优点。本系统将会对大型企业的点检体系带来非常有益的帮助。

［1］李进庆，可敬.基于无线通信的设备点检系统［J］.工矿自动化，2010(4):63－66.

［2］赵艳菊，王太勇，徐跃，等.基于网络的离线式设备点检管理系统的设计与实现［J］.计算机应用研究，2008(5):1455－1457.

［3］唐伟，张建波，范文宾.基于GPRS技术的远程抄表系统设计［J］.电力系统通信，2004(11):37－40.

［4］M A Gómez López，C B Goy，etc.FPGA implementation of a ZigBee wireless network control interface to transmit biomedical Signals［J］.Journal of Physics，2011:635 －641.

［5］Jinsung Byun，Boungju Jeon，etc.An Intelligent Self－ Adjusting Sensor for Smart Home Services based on ZigBee Communications［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2012.