摘  要： 介紹了ZigBee無線技術(shù),，包括無線傳感器的結(jié)構(gòu),、支持的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型,，運用CC2530芯片設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電解槽監(jiān)測系統(tǒng),。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集,、發(fā)送等功能,，可以有效地改善工業(yè)現(xiàn)場布線混亂等問題,。
關(guān)鍵詞： ZigBee,；無線傳感網(wǎng)絡(luò),；CC2530,；數(shù)據(jù)采集

    槽電壓和槽溫度是鋁電解生產(chǎn)過程的重要參數(shù),，這兩種參數(shù)監(jiān)測水平的高低對生產(chǎn)有著舉足輕重的意義,。了解整個電解槽中各點的溫度、電壓,、電流的分布監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究人員了解電解槽的工作情況以及工程師改進電解槽的設(shè)計都有著指導(dǎo)作用,。由于電解槽監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)需要大量的傳感設(shè)備和通信設(shè)備，使用有線通信網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生布線復(fù)雜,，維護不便等問題,，造成工業(yè)現(xiàn)場布線的混亂。因此,，借助無線通信對現(xiàn)場槽況進行實時的監(jiān)測和分析,，無疑是很有價值的,。開發(fā)低成本,、低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為迫切需求,。
1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
    ZigBee[1]是一種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準,，具有低功耗,、低復(fù)雜度等特點，適用于網(wǎng)點多,、體積小,、傳輸數(shù)據(jù)量小,、功耗低等場合,。正是由于ZigBee的這些優(yōu)點,，基于ZigBee標準的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越受到重視,，已在工業(yè)控制,、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康,、智能建筑等領(lǐng)域占有一席之地。將無線ZigBee技術(shù)用于電解槽監(jiān)測系統(tǒng),，能很大程度地提高研究人員和工程師對電解槽槽況的了解,，在此基礎(chǔ)上更好地改進電解槽的設(shè)計,，提高電解生產(chǎn)自動化水平。
1.1 無線傳感器的結(jié)構(gòu)
    如圖1所示,，無線傳感器的基本結(jié)構(gòu)分為4部分[2]：(1)傳感器模塊,，包括傳感器,、放大和濾波電路,、A/D轉(zhuǎn)換裝置,。傳感器根據(jù)需要采集信息,，因為傳感器采集到的信息大部分是模擬量,，一般還需要進行放大和濾波處理,。為了實現(xiàn)無線傳輸,，還需要A/D裝置把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,。(2)處理器模塊,，負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作,，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù),，是節(jié)點的核心部分,。(3)無線通信模塊，負責(zé)與其他傳感器節(jié)點間的無線通信,，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù),，是整個節(jié)點最耗能的部分,。(4)能量供應(yīng)模塊,，為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量,。

1.2 ZigBee支持的拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型
    1個ZigBee子網(wǎng)最多可包括255個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[3],，其中一個是主控(master)設(shè)備,，其余則是從屬(slave)設(shè)備,。若是通過協(xié)調(diào)器,，整個網(wǎng)絡(luò)可以支持超過65 000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點,，最終送到控制中心。
    ZigBee技術(shù)可以支持星型,、樹型和對等網(wǎng)(Peer to Peer)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示,。

    圖2中包括兩種不同類型的設(shè)備——全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備(RFD),。FFD可以與其他的FFD或RFD通信,，RFD只能與FFD通信，RFD之間不能直接通信,。所以,，實際運用中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少包含一個全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，終端設(shè)備一般采用RFD,。FFD可以廣播方式的發(fā)布信息給RFD,。
2 基于ZigBee的電解槽監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)研究目標在于設(shè)計一個基于ZigBee的電解槽實時數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)電解槽內(nèi)多個點的傳感數(shù)據(jù)的同步更新,。監(jiān)測系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來完成電解槽內(nèi)各點的電壓,、溫度的測量。各節(jié)點均由傳感器模塊,、處理器模塊,、通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，以完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。終端分別置于電解槽的立柱,、母線等需要測量的節(jié)點,。傳感器模塊完成對電壓和溫度信號的采集，由數(shù)據(jù)處理和無線發(fā)送部分將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,，經(jīng)中心節(jié)點匯集后通過串口輸入到上位機,，最后在上位機上實時地顯示電解槽電壓和溫度數(shù)據(jù)并保存。
    系統(tǒng)組成如圖3所示,。系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu),。在各節(jié)點(RFD)通過溫度和電壓傳感器進行采樣，以ZigBee協(xié)議發(fā)送至匯聚節(jié)點(FFD),，匯聚節(jié)點匯總數(shù)據(jù)傳送至上位機,。

2.1 系統(tǒng)對ZigBee模塊的功能要求
    系統(tǒng)中的ZigBee中心節(jié)點模塊和終端模塊都具有無線收發(fā)功能[4]，且需要利用LED指示燈來指示網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài),。不同的是,，ZigBee中心節(jié)點模塊是直接與上位機連接，外圍接口除RS-232,、RS-485接口外,，還擴展了LCD顯示接口、可編程按鍵等,，以滿足簡單信息顯示,、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示等功能。為了滿足上述監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求,，可以設(shè)計出專用的低成本,、低時延、低功耗,、多功能和高可靠性的ZigBee模塊,。圖4為ZigBee模塊的功能框圖。

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)部分
    整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack協(xié)議棧[5],。無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)平臺是IAR Embedded Workbench 7.51A,，開發(fā)語言為C語言。因為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模式為星型網(wǎng)絡(luò),，需要在Nwk_globas.h中設(shè)置相關(guān)參數(shù)：
    #define NWK_MODE NWK_MODE_STAR,；
    #define MAX_NODE_DEPTH 2；
    另外還要設(shè)置各個采集節(jié)點的節(jié)點編號來完成網(wǎng)絡(luò)的搭建,。ZigBee中心模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)著系統(tǒng)初始化的作用,，不僅僅需要把從終端節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，同時還具備控制網(wǎng)絡(luò)組建和節(jié)點入網(wǎng)的功能,?？刂凭W(wǎng)絡(luò)包括控制入網(wǎng)節(jié)點和相應(yīng)權(quán)限。根據(jù)終端節(jié)點提供的信標判斷是否允許其入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡(luò)地址。圖5為ZigBee中心模塊工作流程圖,。ZigBee終端節(jié)點經(jīng)過初始化掃描信道加入網(wǎng)絡(luò)之后,接收被分配的網(wǎng)絡(luò)地址,，開始定時讀取采集數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送至上位機。

2.3 ZigBee芯片要求
    在本設(shè)計中,，要求芯片在通信容量,、通信時延、通信可靠性,、能量損耗上都能夠很好地滿足工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求,。這里采用一個典型的ZigBee芯片CC2530[6]，CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee標準芯片,，可廣泛應(yīng)用在2.4 GHz IEEE802.15.4系統(tǒng),、RF4CE遙控系統(tǒng)、ZigBee系統(tǒng),、家庭/建筑物自動化,、照明系統(tǒng)及工業(yè)控制和監(jiān)視中。該芯片有以下特點：
    （1）ZigBee標準2.4G收發(fā)器,，支持802.15.4,、ZigBee2007、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準,；
    （2）增強型8051微控制器,；
    （3）32/64/128/256 KB內(nèi)存，8 KB RAM,；
    （4）AES加密協(xié)處理器,；
    （5）最大輸出功率10 dBm；
    （6）接收靈敏度-97 dBm,；
    （7）低功耗：0.4 ?滋A,。
    本系統(tǒng)中的節(jié)點模塊以上述要求中的ZigBee芯片為核心，具有無線收發(fā)功能,。其中中心節(jié)點通過RS-485接口與監(jiān)測裝置連接，實現(xiàn)與上位機通信的目的,。
    隨著目前對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究,，基于無線技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。它不僅可以解決有線帶來的布線麻煩,、維護不便等問題,，同時還代表著工業(yè)自動化的發(fā)展方向。本設(shè)計采用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù),，可以實現(xiàn)同一電解槽內(nèi)多點的數(shù)據(jù)采集,。使用較低的投資和使用成本就能實現(xiàn)對電解生產(chǎn)的實時環(huán)境監(jiān)測，具有很高的實用性。
參考文獻
[1] 瞿雷,，劉盛德,，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.
[2] 屈利華,，趙春江,，楊信廷，等.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述[J].中國農(nóng)機化,，2012(4)：179-183.
[3] AKYILDIZ I,，SUW C.Wireless sesor networks：a survey[J]. Computer Networks，2002,，38(3)：393-422.
[4] 劉玉芳.基于ZigBee技術(shù)鋁電解車間多參數(shù)檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué),，2010.
[5] 何杏宇，張浩,，彭道剛.ZigBee技術(shù)在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].機電一體化,，2008(7)：34-37.
[6] 林健.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集平臺的實際與實現(xiàn)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.