ZigBee无线传感器网络在工业领域中的应用

口 ,J TA G 调试接口和 L CD 显示.
下面对 ZigBee 在工业领域中的应用从可靠性 、实时
性 、节能性 、组网和路由等几个方面进行进一步的分析.
(1) 可靠性 :大部分的工业控制应用要求数据的可
靠传输率要超过 95 %. 但是工业设备通常置于很恶劣的
图 5 ZigBee 协调器硬件结构图
Bee 协调器是整个网络的中心 ,负责网络的组织和维护. 路由器负责
网络中数据包的路由选择 ,并能够用来拓展网络的范围. 而终端设备
则是实现具体功能的单元. 根据功能来划分又分为全功能设备 ( FFD)
和精简功能设备 ( RFD) . 协调器和路由器必须为 FFD 而终端设备可
以是 FFD ,或者是 RFD.
芯片 CC2430 ,CC2430 具有很高的性价比 ,在单个芯片上整合了 ZigBee 射频 ( RF) 前端 、内存和 8 位微控
制器 ( 8051) ,集成了 14 位模数转换器 (ADC) 和 A ES 安全协处理器 ,并带有 2 个强大的支持几组协议的
U SA R T 以及上电复位电路 、掉电检测电路和 21 个可编程 I/ O 引脚.
ZigBee 技术并不是完全独有 、全新的标准 ,它的物理层和 MAC 层采用了 IEEE802. 15. 4 的协议标 准 ,但在此基础上进行了完善和扩展. ZigBee 联盟在 IEEE802. 15. 4 物理层 、MAC 层的基础上 ,对其网络 层协议和应用程序接口 (A PI) 进行了标准化 ,并对安全层进行了开发. 完整的 ZigBee 协议套件由应用层 、 应用会聚层 、网络/ 安全层 、数据链路层和物理层组成 ,ZigBee 协议架构如图 1 所示.
ZigBee 无线传感器网络在工业领域中的应用
李 斌1 , 田亚萍2
(1. 陕西科技大学电气与信息工程学院 , 陕西 西安 710021 ;2. 咸阳市公安局 , 陕西 咸阳 712000)
摘 要 :介绍了工业领域中无线传感器网络的优势 ,对无线网络技术 ZigBee 及其相关标准 IEEE 802. 15. 4 进行了性能分析和研究 ,着重探讨了基于 ZigBee 的无线传感器网络构建及其 在工业领域中的应用. 关键词 :无线传感器网络 ; ZigBee ; 以太网 中图分类号 : TP393. 02 文献标识码 :A
0 引言
随着工业测控系统规模的不断扩大 ,降低投资和使用成本成为工业通信技术发展的迫切要求. 有线网 络由于安装和使用成本 (主要是布线成本) 高昂 ,现已成为阻碍工业通信技术发展的主要难题. 另外有线网 络在组网时需要布线 ,这在很大程度上限制了设备移动和网络结构的灵活变化 ,尤其在一些特殊的工业环 境中 ,如工业设备需要做旋转 、移动或工作于强腐蚀性环境 ,布线将更为困难.
(1) 物理层 :遵循 IEEE 802. 15. 4 协议 ,是协议的最底层 ,承担着与外界直接作用的任务 ,负责数据的
3 收稿日期 :2008 - 06 - 18 作者简介 :李 斌 (1971 - ) ,男 ,陕西省咸阳市人 ,高级工程师 ,硕士 ,研究方向 :网络通信技术 基金项目 : 陕西省工业攻关项目 (2006 K05 - G18) ,陕西科技大学自选科研项目 ( ZX06 - 27)
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陕西科技大学学报
第 26 卷
后将其经过工业以太网络发送到监控中心 ,实现工业现场远程监 测.
结构图
必须高 于 网 络 中 其 它 类 型 的 设 备. 本 系 统 选 用 三 星 公 司 的 A RM92
S3C2410X 作为协调器的 CPU ,这是因为 A RM 有如下优点 :运行速度快 、存储空间大 、很方便与 Internet
互联等 ,所以用它来作为协调器的控制器能提高整个系统的运行处理速度 ,并且能完成复杂的路由算法 ,
用最少的能源实现信息通信任务是工业无线技术必须解决的问题. 对于 ZigBee 技术而言 ,低功耗特性是
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№. 5 陕西科技大学学报 Oct . 2008
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第5期
李 斌等 : Zigbee 无线传感器网络在工业领域中的应用
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调制 、发送与接收工作.
靠性高. 为了进一步加强其可靠性 ,在最新的 ZigBee2007 协议栈规范中 ,引入了一个新的特性 ———频率捷
变. 频率捷变就是改变频率 ,当 ZigBee 网络受到外界干扰 ,无法正常工作时 ,整个网络可以动态地切换到
另一个工作信道上. 实验证明 ZigBee 的误码率 ,特别是在信噪比为 4 dB 的情况下可达到 10 - 9 . 而要达到
3 无线传感器网络在工业中的应用设计
图 2 ZigBee 拓扑结构
由于组建工业领域大型网络过于复杂 ,所以本文以一个简单的 工业现场消防烟感监测系统为例 ,说明 ZigBee 无线传感器网络的设计 ,整个系统的结构如图 3 所示. 系统 设计时选用一个协调器与一个节点进行通信 ,这样如果能够通信成功的话 ,对多节点的 、更复杂的工业现 场网状网络有很重要的参考意义.
无线传感器网络 ( Wireless Senso r Network ,WSN) 由于具有降低投资成本 、结构灵活 、易于改造 、无 需布线的优势 ,现已成为工业领域关注的焦点. WSN 是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节 点 ,通过无线通信技术自组织构成的网络系统. 在工业领域 ,使用它可以以较低的投资和使用成本实现对 生产全流程的远程监测 ,获取重要的工业过程数据 ,并能够以此为基础实施优化控制 ,达到提高产品质量 、 降低工业生产成本和提高能源效率的目的.
环境复杂多变 、工业环境下链路质量不稳定 、多样化的信息和多样化的实时性要求 、能量效率和负载均衡
等问题. (4) 应用会聚层 :主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上 ,主要包括安全属性设置和多个业务
数据流的汇聚等功能. (5) 应用层 :主要是实现网络上不同设备间的通信 、应用信息获取和设置服务. 工业应用要求应用层
同时也方便与现有的工业网络进行数据传递.
要实现与 ZigBee 网络中的其它节点的通信 ,ZigBee 协调器必须具备无线信息收发的功能 ,此功能模
块采用的是 CC2420 无线通信芯片 ,控制单元通过 SPI 协议接口 ,对 CC2420 芯片进行信息收发控制. 协调
器通过 CS8900A 以太网控制器实现与外部工业以太网的连接. 协调器还根据实际需要设计了 RS232 接
3. 2 ZigBee 协调器
通过 ZigBee 无线通信系统的功能分析 ,结合工业现场的实际需求 ,协
来自百度文库
调器所应采用的硬件结构如图 5 所示. 由于 ZigBee 协调器作为 ZigBee 网
图 4 ZigBee 终端设备硬件 络的“大脑”担负了许多任务 ,因此 ,负责管理这个“大脑”的控制器的性能
同样误码率 ,蓝牙信噪比要达到 16 dB ,IEEE802. 11 要达到 10 dB. 因此 ZigBee 的抗干扰性能明显高于蓝
牙和无线局域网技术.
(2) 节能性 :工业现场的无线设备由于成本和环境的限制 ,通常不采用外接电源的方式 ,而是靠自身
携带的电池供电. 从运行和维护成本方面考虑 ,无线设备其自主运行的寿命应达到 3～5 年. 因此 ,如何利
1 ZigBee 技术
ZigBee 是一种新兴的短距离 、低功率 、低速率 、低成本的无线传感器网络技术 ,工作于 2. 4 GHz 全球 统一的无需申请的工业科学和医疗 ( ISM) 频段 ,传输速率为 10～250 kb/ s ,传输距离为 10～75 m. 它看起 来更接近于蓝牙技术 ,但比蓝牙更为简单 ,具有更低的传输速率和功率消耗 ,大多数时间处于睡眠模式 ,尤 其适用于那些不需要连续更新的场合 ,如工业设备间的通信.
(2) 数据链路层 : IEEE802 系列标准把数据链路层分成 LL C (逻辑链路控
制) 和 MAC (媒介接入控制) 两个子层. LL C 子层在 IEEE802. 2 标准中定义 ,为
802 标准系列共用 ;而 MAC 子层则由 IEEE 802. 15. 4协议定义. 对于工业应用
数据链路层协议需要充分考虑极端的工业无线通信环境 、多样化信息的实时通
换到另一条路径. 另外 ,该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络 ,具有很大的路由深度和网络节点规模 ,并
具备自组织 、自愈功能 ,从而降低了网络的维护成本. 因此 ,在工业无线网络中通常采用网状型结构.
ZigBee 网络中包含 3 种设备类型 : ZigBee 协调器 、Zigbee 路由器
和 ZigBee 终端设备. 每个网络都必须包括一台 ZigBee 协调器. Zig2
信 、休眠等节能机制 ,满足更为严格的可靠性 、实时性和节能性要求.
图 1 ZigBee 协议架构
(3) 网络/ 安全层 :由 ZigBee 联盟制定 ,主要实现节点加入和离开网络 ,提供网络的传输路由 ,保证数
据的完整性. 鲁棒 、实时是工业应用对网络层的主要要求 ,网络层协议的设计需要解决资源严格受限 、工业
系统工作过程如下 :该系统把带有 ZigBee 协议的模块嵌入到烟感传感器中 ,作为无线传感器网络的 一个节点. 当发生火灾时 ,传感器监测到烟雾信号发生变化 ,它触发节点芯片的中断 ,从而激活节点芯片 , 芯片会自动进入数据采集程序 ,当数据采集结束后 ,通过 ZigBee 无线收发模块 ,把打好的数据包发送出 去. ZigBee 协调器是 ZigBee 网络与外部工业以太网络的接口 ,作为系统的核心负责整个网络的管理以及 数据的转发 ,它通过收发模块接收多个节点的数据 ,由嵌入式控制器对接收到的数据进行必要的处理 ,然
整个系统主要可以分为 ZigBee 无线传感器节点和 ZigBee 协调 器两部分.
3. 1 ZigBee 无线传感器节点
图 3 基于 ZigBee 的工业现场监测
ZigBee 无线传感器节点由烟感传感器和 ZigBee 终端设备组
系统结构
成 ,如图 4 所示. ZigBee 终端设备选用德州仪器 ( TI) 公司的 ZigBee
电磁环境中 ,干扰严重. 为了保证通信的可靠性 , ZigBee 采用了多种措施 ,首先是物理层采用高处理增益的直序/
频率快变技术 ,能够在一定程度上抵抗干扰. 另外 ,MAC 层和应用层具有应答重传功能 ,MAC 层的 CS2
MA 机制使节点发送之前先监听信道 ,也可以起到避开干扰的作用. 网络层采用了网状型的组网方式 ,可
协议提供对连续 、离散等不同控制应用的支持.
2 ZigBee 网络拓扑结构
ZigBee 技术具有强大的组网能力 ,支持星型 、簇状型 、网状型 3 种网络拓扑结构 ,如图 2 所示 ,每种网
络都有各自的优点. 由于网状型网络从源节点到达目的节点可以有多条路径 ,路径的冗余加强了网络的可
靠性 ,如果原先的路径出现了问题 ,比如受到干扰 ,或者其中一个中间节点出现了故障 ,则 ZigBee 可以切