基于Zigbee的无线技术在工业自动化中的应用

苏忠国

（中石化第四建设有限公司，天津 300270）

1 Zigbee无线技术概述

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的能量有限的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的多跳的自组织的网络系统，具有精度高、覆盖范围广以及可远程监测等特点。Zigbee无线网络可由多个节点组成，节点越多，网络越稳定，适应性与容错性能越强。即使其中某些节点故障，Zigbee无线网络也会自动通过其他正常节点来重新规划路由，从而保证网络正常工作。Zigbee无线技术在数据传输领域的最典型应用是自动抄表系统。这个抄表系统是电力局自行建网，因此不收取任何额外费用。Zigbee无线网络的超大容量，可以覆盖所有需要覆盖的地域[1]。

2 Zigbee无线技术的优势及特征

2.1 ZigBee无线技术的优势

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的商业名称。近年来，该协议已经被广泛应用于各个领域，并协议处理器所需要的价格相当低，能够节约成本支出。ZigBee技术具有许多优点，由于它主要用于睡眠模式中，传输功率仅为1 MW，能够达到节电能耗的目的，维持时间为6个月至2年。ZigBee技术的通信延迟相对较短，只需30 ms，并且只需要15 ms就能够在第一时间内激活睡眠工作状态，完成设备搜索任务，可以满足不同行业的基本需求[2]。

ZigBee的优势在于其拥有较大的网络容纳能力，仅需要一个星型的ZigBee网络，就能够承载254个子节点和1个主节点。ZigBee通过碰撞避免模式，能够在一定程度上有效避免在数据传输过程中发生竞争和冲突，说明ZigBee技术具有较高的可靠性。在安全方面，ZigBee提供了一种循环冗余校验方法，通过AES-128数据信息的加密模式，使每一个数据信息均能够在一定程度上确定最佳属性。ZigBee协议栈主要由物理层、数据链路层、网络层以及应用层构成，能够通过低配置的芯片实现较多的功能。

2.2 ZigBee无线技术的网络特征

ZigBee技术与其他无线通信技术相比较而言，具有如下5个特征。第一，网络承载数据量大。网络整体组成结构较为灵活，不同区域范围内部包含至少上百个微型网络，每一个微型网络内部可以设定成百上千的WSN数据终端，在此基础上能够构成完备的数据传输信息系统。第二，实时性。通常，该系统处于等待模式，一旦触及，会立即切换至工作状态，数据节点反馈速度快。而当新的终端设备连接到系统时，可以快速连接并运行，极大地缩短了反馈时间。第三，低成本。ZigBee网络层采用的协议相对简单，通信控制装置并不包括复杂数据，但性价比具有一定竞争优势。第四，自组织网络。在系统网络中，数据信息节点的信号传输，并未指定固定的通信传输线路。因此，可以通过定向路由的方式找到邻近节点，将需要传递的数据发送至该节点位置处，节点数据的转移不会对整体造成影响。第五，低功耗。在无线智能灌溉系统的设计中，通过传感器节点收集应用状态下的数据所需信息，若系统设计的节点越少，那么需要采集的数据信息量就相对较少，能够在一定程度上节省功耗。

3 基于Zigbee的无线技术在工业自动化中的应用

3.1 工业环境采集数据信息

在工业自动化的组网上，大部分都采用有线组网模式，该模式投入成本高昂，监控便捷性差，感知性较低，不适合大量应用。传统的工业自动化系统主要以中心控制设备为主体，设备体积相对较大，占地面积过多，极大的浪费资源。在系统的应用层面上，一般均通过短信或监控平台获取相应的工业环境数据，这样就会过度网络依赖，不能实时地对工业环境进行温湿度和光照等环境监测。

根据上述详细分析，在模糊控制基础上通过异网结构数据模式进行相应的工业环境数据传输，从而搭建基于Zigbee的无线网络数据节点，其设计要求主要包括如下5个方面。第一，通过不同类型的Zigbee传感器进行多因子数据信息采集，实时监控相应的工业环境数据。第二，基于Zigbee的无线网络数据节点网络结构部署简单，采用无线组网模式将不同监测节点组合，确保数据传输稳定性。第三，系统可以进行电池充电，通过监控节点进行高达2个月的正常工作任务，其中数据控制中心能够根据实际情况对需求信息进行管理和控制。第四，具备人机数据信息交互能力，可以通过远程模式实时进行数据信息传输和控制。第五，用户根据自身的需求，通过设备终端对工业环境中的作物进行实时访问和设备调控。

3.2 工业自动化平台搭建与应用

对于工业自动化的数据采集系统而言，远程中心控制端可以通过服务器在线模式，访问工业自动化运营系统内部数据，且对该部分数据进行分析和管理，基于Zigbee的无线技术能够采集相关数据信息，实时监测工业环境中不同产品的基本状况，通过数字和图像的方式，充分展示出产品的基本活动及环境信息。

为了确保系统的正常高效运行，需要对系统的报警功能和日志等进行控制和管理，方便相关人员定期根据系统的基本情况进行合理维护。系统的报警功能包括实时报警和历史报警，当指示器和蜂鸣器不断闪烁进行示意提醒时，则为实时警报，若采集到的实际环境信息与预设量值存在差额，系统将会发出警告通知。历史报警信息，主要是将实时报警信息存储在系统数据库，根据用户的基本要求，能够随时查询历史记录，为管理者分析产品基本数据。在对工业环境进行的数据监测和存储，在实际应用过程中根据使用周期提供工业环境参数，通过获取的大量产品数据信息，对该时间段内产品基本情况进行总结。在系统远程中心控制界面，根据假定的前提条件设置工业环境内适合产品基本的环境参数，同时对工业环境内的每个数据节点，设置报警周期、阈值范围以及上传延时等。

3.3 手机APP与服务器数据交互传输

工业环境将根据实际情况，划分为不同的区域范围，每个区域范围都是独立个体。根据功能划分的基本依据，在工业环境区域范围中部署数据节点，其主要包括网关协调节点、数据采集节点、数据控制节点以及路由节点。对于系统网络中的网关协调节点而言，其在整个系统架构中主要负责创建网络，并通过相应的数据转换标准，将ZigBee与4G进行通信转换。对于数据控制节点而言，其在系统中主要根据自身的特点对电磁阀的开关进行合理控制。对于路由节点而言，需要将网络中传输的数据信号进行转发，在转发过程中及时发现最优路径。路由节点部署策略关系到整个工业自动化运营系统的正常运行，系统内设置的全部路由节点需要覆盖整个灌溉范围，以确保系统终端能够正常接收全部产品的详细信息。

基于ZigBee的无线网络数据采集节点，主要用来测量基本量值信息数据，不同区域范畴内的采集节点需根据实际情况进行部署，设置参数量值为全部ZigBee数据采集节点测量平均值，此时在每个区域范围内设置两个控制节点。将基于ZigBee的无线网络划分成不同的区域，不仅能够在一定程度上提高抗干扰能力，还增强系统的可扩展性。对于每个网络组织结构而言，均具有远程交互功能，能够将该区域范围内参数量值数据通过网络传输至系统的控制中心。用户可以通过连接的数据网络，直接访问控制中心。对于远程监控中心而言，其主要用来接收基于ZigBee的无线网关传输的数据信息，然后根据信息内容将其划分为不同模块，最终存储在系统的数据库内。一旦监测到请求信号指令，服务器立即响应并建立实时连接，监控中心将根据指令管理控制相应阀门。用户可以通过手机APP与服务器建立交互，从而根据自身的实际需求完成对工业自动化的加工生产进行管理。

4 基于Zigbee的无线技术在工业自动化中的应用优势

4.1 建立方便，减少成本投入

有线通信的建立必须通过线缆相连接，而线缆铺设费时费力，有时，由于某些工业环境（例如高温高压）及其地理位置的特殊性（如经过山河、湖泊等），线缆铺设十分困难。即使线缆铺设完成，通信建立以后，也容易遭到外界因素的影响与破坏，后期维护工作量相对较大，一旦出了故障，顺着线缆查找故障点需要花费很长时间，维修起来很不方便且费用也比较大。

相对而言，工业自动化中投入基于ZigBee无线网络技术，就可以很好地规避有线网络的不足。基于ZigBee无线网络系统建设简单，可以节省线缆资源，从而减少成本投入，故障查找及排除简单快速，后期维护工作量小，没有线缆老化损坏而进行维护更换的工作需要。例如，一个用485协议通信的网络，如果系统间的485电缆出现损坏或接点松动情况，整个通信系统的所有信号都会因为这一根电缆而丢失，而且问题排查困难且耗时。而基于ZigBee的无线网络如果其中一个接点出现故障，不会对其他接点产生影响，而且所有问题都会集中在节点设备上，不存在中间线缆的问题，相对来说查找处理问题更简单直观。

4.2 追加节点，扩展性与包容性强

在通信网络建好以后，常常会因为在运行过程中的某些对系统操作和维护的特殊需要而增加新的设备节点，如果采用有线方式就要铺设新的线缆，更严重的可能需要拆除原来的通信线缆。由此可见，有线通信网络的增容能力较差，应对突变情况的能力不强，如果处理不当还可能对整个网络系统造成非常严重的损坏。在基于ZigBee的无线网络系统中由于生产或者通信等原因需要增加节点时，操作过程就简单很多，无需铺设新的有线线缆，只需在网络系统中加入新的接入点，然后在组态软件中进行简单的调整修改即可。由此可见，基于ZigBee的无线网络技术相对有线技术体现出了更强的扩展与包容性，应对突发情况的能力也比有线技术强，有利于工业自动化生产过程中的监测与控制。

4.3 位置调整轻松简单

基于ZigBee的无线网络中对设备位置可以随意调整，不受外界条件的约束限制。在生产的过程中，由于某些原因需要对相关网络设备的位置进行调整，只要该设备本身没有故障，执行工作的能力正常，就能够把它移动到能够接收到网络信号的任意位置，而且这个操作过程非常简单，几乎不消耗成本。但是在有线网络中，如果需要调整一个网络设备的位置，需要为新位置选择一个合适的节点，在设备与节点之间敷设新的线缆，工作量和难度较巨大。

4.4 稳定性及抗干扰性强，安全系数高

有线网络技术对外界环境要求高，由于有线技术中有线缆的因素，所以当周边环境不适合有线技术设备的使用时，或者在人为因素的情况下，就很容易出现故障。而基于ZigBee的无线网络技术在整个生产过程中的信息保密性较高，任何一条基于ZigBee的无线技术都可以设置属于其本身的加密方式，提高了整个线路中的信息的安全性，被窃听和盗取的概率小。基于ZigBee的无线技术可以通过改变其自身的频率来应对外界恶劣环境的变化，有较强的抗干扰性和稳定性。

5 结 论

科学技术在不断进步，工业生产设备也在不断的更新换代，ZigBee无线技术以其简单、便捷以及安全可靠的特点赢得各大厂家的青睐。通过ZigBee无线技术，工业生产可以节省更多的成本，提升了工作效率，减少了工作程序，同时还可以提高企业的效益。ZigBee无线通信技术发展前景广阔，因此，对ZigBee无线技术进行研究显得非常重要。