ZigBee无线技术在输液车间自动监测系统中的应用

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0 引言

输液车间实时监测系统需完成对各种重要生产设备、各个重点监测区间的各种传感信息(包括温度、湿度、气体、人员情况等)的采集、处理和控制[1]。与其他控制现场相比，输液车间监测点数量大、传感量种类多、噪声干扰强，对通信系统安全性、数据传输可靠性、抗干扰能力等都提出了很高要求。因此,设计高实时性、高可靠性的控制网络是输液车间自动监测系统研究中的一个关键问题。传统的工厂控制网络大多采用有线传输技术[2]，而输液车间需监控的设备及信息量种类多，若采用传统组网方式，易带来布线复杂、扩展性差等弊端，进而影响整个系统的监测性能。

ZigBee无线网络可解决以上问题。ZigBee是一种采用IEEE 802.15.4标准、工作在2.4GHz频段上的无线通信技术，由大量分布广泛的传感器通过无线电连接形成，这些传感器以微弱的能量通过接力的方式将数据从一个节点传递到下一个节点，因此具有低成本、低功耗及通信效率高等优点[3]。ZigBee无线网络采用自组织网方式，通过自动搜索通信范围内的各个网络模块来构建新的ZigBee网络或刷新原有网络。节点间通信距离从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。另外，ZigBee还能与其他网络融合，以实现制定范围内目标的检测或控制，从而实现多功能的网络。

1 系统设计方案

1.1 系统总体结构设计

在输液车间实时监测过程中，利用ZigBee自组网功能将感测环境的各个监测节点连接成无线网监测系统，由协调器负责建立网络及网络的相关配置，其他节点通过发送请求加入或者退出网络。网络中各节点都分配有互不重复的ID标记[4]。现场监测节点将采集现场的温度、湿度、气体、红外线等多种实时信号参数，通过路由转发或直接送至协调器。协调器同时起到网关的作用，它将ZigBee无线网的数据送至中控计算机进行数据分析处理及数据库管理。同时，也可根据监测要求，由计算机发出相关指令对各监测点进行控制，以完成整个ZigBee无线监测系统的实时监测控制、状态显示、参数设置以及无线网组建。系统架构如图1所示。

图1 输液车间系统架构

1.2 ZigBee无线节点的构成

在输液车间无线网监测系统中，每个监测点的控制器单元作为一个节点，通过ZigBee无线传感器网络接入现场控制级。ZigBee无线节点的结构如图2所示，其关键部分是微处理器和射频收发器[5]。

图2 ZigBee无线节点结构

微控制器除了完成感测环境数据采集、数据处理及功能控制外，还需要完成ZigBee通信协议所要求的物理层和数据链路层的所有功能。射频收发器是一个物理层的器件，实现微控制器和无线网的双向数据通信，是每个节点和无线网络的空中接口，可提高ZigBee无线网的可靠性和抗干扰能力。

1.3 ZigBee接口硬件电路设计

ZigBee无线节点具有数据采集、控制及通信功能，节点间可传送各种数据、参数和命令。为适应输液车间监测点数量大、传感量种类多及设备分布复杂的感测环境，满足实时监测要求，增强系统集成度及抗干扰能力，要求所选择ZigBee射频器件应具有快速的计算速度，实现多点多传感量的并行数据采集。同时，要求芯片集成度高、片内资源丰富及外围电路搭建简单，以实现多种控制功能及节点控制单元小型化，并具有与其他CPU通信的能力，以便实现多CPU协同控制。

根据上述要求，本文选用CC2530射频单片机芯片，它是ZigBee和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(system on chip,SOC)解决方案[6]。由于CC2530片内的8051内核处理数据能力较差，在处理系统多传感量时易降低C2530节点的效率，导致传输出现延时、丢包等现象，因此针对低功耗、高处理能力等特点，选用STM32f107vct6型32位ARM芯片为微控制器，为多传感器扩展提供支持[7]。

ZigBee通信接口电路图如图3所示。

图3 ZigBee通信接口电路原理图

STM32与CC2530均采用3.3 V逻辑电源，采用串口通信时不需要电平转换，从而简化了开发过程;而8051与PC端电源不一致，需经过PL2303转换电平，实现两者间的通信。为了增强控制节点的可靠性和抗干扰能力，电路使用单极子不平衡天线，利用分离电感L1、L2和电容C4、C8、C10、C5、C3组成的非平衡变压器提高天线接收性能。另外，CC2530的DCOUPL脚串接一个去耦电容C1后再接地，以保证1.8 V片上稳压器提供的1.8 V数字逻辑稳定运行。

2 ZigBee无线网络的构建

本系统的ZigBee无线网络采用对等拓扑网络结构[8]。为了保证网络通信的高实时性与高可靠性，同时便于布线，选取靠近车间门口的节点作为网络协调器。由该协调器组建网络并进行网络配置，其他节点作为路由器或传感节点接入该无线网[9]。网络内的各个节点把采集的传感量重复通过邻近的路由器转发至协调器，或直接发送给网络协调器，协调器同时起到网关的作用，以完成ZigBee无线网络与中控计算机或互联网的双向数据通信。

本系统的ZigBee无线网构建过程主要包括两个步骤：网络初始化与节点加入网络。

① 网络初始化。协调器上电完成硬件与协议栈各层初始化后，对信道进行扫描。找到合适的信道后，协调器将为这个新的网络选择一个个域网标志符(PAN ID，取值≤0x3FFF)。PAN ID可由网络形成请求时指定, 也可以随机选择，其中ID在所选信道中是唯一的，不能和其他ZigBee网络冲突，而且不能是广播地址0xFFFF[10]。PAN ID一旦选定，协调器将选择16位网络地址0x0000作为自身短地址,同时进行相关设置，以完成ZigBee网络的初始化。

② 节点加入网络。由待加入节点主动扫描查找周围网络的协调器，获取协调器相关信息，并发送关联请求命令。协调器接收到命令后,网络管理实体首先判断此节点是否已存在于网络：若存在, 则使其加入网络；若不存在, 协调器将根据自己的资源情况(存储空间和能量)决定是否同意节点的加入请求。若协调器的资源足够，协调器将为节点分配一个网络中唯一的16位短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令，则节点与协调器成功建立连接并可以开始通信；若协调器资源不够，节点将重新发送请求信息，直至入网成功。

3 系统调试过程

在系统测试及现场调试过程中发现，要构建并完善一个ZigBee无线网络有很多细节问题需要注意。这些细节都直接影响到ZigBee无线网络的通信质量，进而影响输液车间的实时监测效果。

① 在组网前需对每个接入网的节点进行功能测试，即将待测试的节点配置为路由节点或传感节点，并与正常工作的协调器进行传感量数据收发测试。若通信正常，说明此节点硬件电路基本正确。

② 根据感测环境各个节点需完成的功能，进行协调器、路由器、传感节点的网络角色分配，并由协调器负责ZigBee无线网的组建与完善。为了防止协调器故障导致整个无线网络瘫痪，至少需准备1～2个备用协调器，以保证整个监测系统长期稳定运行。

③ 感测环境的各个节点要合理布置，需根据监测车间的空间大小来布置协调器、路由器及传感节点。一般可采用以下方法：靠近门口的节点作为协调器，方便与异构网络进行数据通信；相隔1～2个节点布置一个路由器，其他节点及离协调器最远的节点(如门口的对角线节点)则作为传感节点，各个传感节点自动选取最优路线，通过路由转发将数据送至协调器，以提高监测系统的通信效率与实时性。

④ 按照协调器→路由器→传感节点的顺序，依次给网络节点上电，当前一种节点(如协调器)的工作状态指示灯由暗变亮时，方可对下一类型节点(如路由器)通电。如果不按照此顺序操作，易造成路由器、传感节点搜寻网络的时间比较长，进而影响网络的组建与正常工作。

⑤ 协调器、路由器、传感节点三者的波特率最好保持一致，且波特率不能太高，若设置得太高，如采用115 200 bit/s的通信速度，则通信不可靠。经试验，采用38 400 bit/s的通信速度网络效果最好。

⑥ 在节点电路板上，采用发光二极管提示有无ZigBee无线数据发送，当节点有信号传输时，发光二极管闪烁。路由节点将接收到的ZigBee无线网络上的数据进行转发，而协调器直接将数据传送至PC端进行后期处理。这不仅为调试程序带来方便，而且可直观地判断分析工作故障或者状态。

⑦ 经测试，ZigBee无线网络的节点直线无遮挡可靠通信距离是70 m左右。如遇遮挡物(如墙)，则信号衰减厉害，特别是有些输液车间是几层铜板的隔离墙。因此，在每个输液车间构建一个ZigBee无线网络，车间通过ZigBee无线网关与中控计算机进行数据传输，从而保证通信的有效性与可靠性。

4 结束语

ZigBee无线技术的使用避免了输液车间内监测模块间复杂的连线，保障了整个感测环境各个传感量的实时可靠传输，解决了现代化输液车间自动监测系统因厂房高、面积大等客观因素带来的高难度复杂布线问题。系统完成了ZigBee节点硬件接口设计及无线网络构建，模拟信号、数字信号和开关信号的采集与处理，温度、湿度、气体浓度、人员情况的输出显示，从而实现了整个输液车间的实时状况自动监测，并且给出了系统调试过程中需要注意的问题。

系统试验调试表明，系统数据传输速率最高可达250 kbit/s，具有较好的可靠性和抗干扰性，能更好地监控输液车间运行状态和提供实时、准确、可靠的感测环境数据。

[1] 卢德利，王琦，黄革.塑料瓶输液车间的工艺设计[J].医药工程设计，2008,29(3)：13-15.

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