ZigBee技術在鋼鐵車間中的數(shù)據(jù)采集應用

摘要：在傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)車間內(nèi)進行環(huán)境物理量的監(jiān)測，采用的是布置有線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，存在著布線困難、成本較高，不易維護的缺點。基于此，提出新的基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術來對其進行改造的方案，實現(xiàn)無線、可靠、實時的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測；方案采用JN5139-Z01模塊作為核心硬件，介紹了系統(tǒng)硬件各部分組成和軟件結構設計，經(jīng)實驗，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鋼鐵車間內(nèi)環(huán)境量的實時監(jiān)測，對提高工廠自動化水平具有重要的意義。
關鍵詞：ZigBee；鋼鐵企業(yè)；環(huán)境監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡

1 總體設計方案
    在鋼鐵企業(yè)的工廠里，除了原料場、焦爐、高爐等，還包含有各種監(jiān)測控制設備，如對溫度、濕度及對煤氣等物理量進行采集的設備，環(huán)境檢測顯得尤為重要。一般情況下采集設備以有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的形式采集與傳輸數(shù)據(jù)。但是在布滿各種設備的鋼鐵廠車間里采用有線電纜實現(xiàn)溫濕度等工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集，有布線非常困難，不便于維護，設備不能隨意移動等缺點。而ZigBee網(wǎng)絡是一種先進的無線傳輸技術，它有著功耗低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡容量大，安全性高，實現(xiàn)成本較低等優(yōu)點，此方案可以使鋼鐵工廠測量裝置易于安裝，便于維護，傳輸可靠。圖1為此方案的系統(tǒng)結構圖。

    ZigBee是基于IEEE 802．15．4無線標準之上的有關組網(wǎng)、安全與應用技術，使用了IEEE 802．15．4標準定義的物理層與MAC子層。它采用直接序列擴頻技術，工作在868 MHz，915 MHz，2．4 GHz的ISM頻段。主要應用在消費電子設備、生態(tài)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備等領域。ZigBee規(guī)范定義了三種設備：ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器和ZigBee終端設備。在組網(wǎng)方式上，主要采用星狀網(wǎng)，樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀結構。采用新興ZigBee組網(wǎng)技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以改變傳統(tǒng)的管理方式，對區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)實施連續(xù)、有效監(jiān)測與分析，充分發(fā)揮了實時監(jiān)測在環(huán)境管理中的作用。特別是對人員無法接近的危險、惡劣環(huán)境的實時在線檢測，使得能夠在中心監(jiān)控室可以監(jiān)視環(huán)境運行狀態(tài)。

2 硬件電路設計
2．1 處理器模塊
    本文的硬件采用JENNIC公司的JN5139芯片。作為JENNIC公司生產(chǎn)的業(yè)界領先的兼容于IEEE 802．15．4的低功耗Soc芯片，芯片集成了一個32位RISC處理器，可以做性能非常強大的MCU使用，其中包含了16 MHz的32位RISC CPU，同時內(nèi)含有96 kB RAM、192 kB ROM，4個輸入端口，2個比較器，12位的ADC，兩個11位DAC，2個應用級定時器／計數(shù)器，3個系統(tǒng)定時器，2個串口，其中有一個用于系統(tǒng)的在線調(diào)試。一個SPI接口，帶有5個片選線。同時含有一個2線串行接口。此MCU含有21個GPIO口，每個GPIO端口可通過軟件分別配置成輸入或輸出，并提供推挽式輸出或漏極開路輸出。本文采用的是對溫度和濕度數(shù)據(jù)量進行監(jiān)測，在實際中可在GPIO口外接各種煤氣的專用傳感器，從而實現(xiàn)對鋼鐵工廠里的環(huán)境量的全面監(jiān)測。

    JN5139模塊內(nèi)部電路圖如圖2所示，該模塊為開發(fā)人員提供了訪問JN5139芯片的全部數(shù)字和模擬接口能力，包括ADC、DAC、比較器、定時器、UART、串行口及GPIO。其I／O訪問確保模塊可以單獨使用，而不必增加額外的電路去實現(xiàn)許多低功耗無線系統(tǒng)所需要的功能。每一個模塊都配備了IEEE802．15．4 MAC層軟件或ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議棧。
2．2 射頻部分
    JN5139工作電壓為2．7～3．6V，模塊提供高達97dBm的接收敏感，大大提高了工作范圍，尤其是在多干擾源的惡劣環(huán)境中越顯強固，對載波的偏移和EVM有更大的容忍度。發(fā)射功率也增強到+3dBm。JNS139模塊是目前市面上唯一單芯片無線微控制器，擁有100dB Link budget，同時支持工業(yè)溫度標準及大工作電源電壓范圍。當產(chǎn)品在等待外在事件激發(fā)，并進入深層休眠方式的時候，芯片功耗僅400 nA，幾乎沒有消耗任何電力。若內(nèi)建芯片振蕩器和通信協(xié)議定時器啟動工作，休眠電流消耗也在2μA以下。這些休眠功耗方式與無線收發(fā)、通信協(xié)議軟件、硬件緊密地結合在單芯片無線微控制器上，滿足無線傳感器網(wǎng)絡的電池壽命要求。
    內(nèi)建存儲器增加到192 kB ROM和96 kB RAM，可以充分發(fā)揮32位RISC單芯片處理機的超強運算能力，完美地實現(xiàn)了復雜的應用與ZigBee或其他mesh通信協(xié)定軟件的結合。芯片上的ROM已內(nèi)含多種軟件，包含全球首推IEEE802．15．4版本B的MAC層，支持多種不同廠家的EEPROM裝置，JN5139提供了IEEE 802．15．4B和ZigBee版本。
    每個出廠的芯片皆有專屬唯一的網(wǎng)絡地址(MAC address)識別碼，如此可節(jié)省外接的Flash存儲器。另有256位一次可編程的只讀存儲器供客戶直接燒錄AES安全加密金鑰或其他專屬的識別碼。
2．3 數(shù)據(jù)采集模塊
    節(jié)點的傳感器模塊部分主要包含有高精度溫濕度傳感器SHT10，SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，采用LCC封裝，提供全量程標定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個敏感元件與一個14位的A／D轉換器，以及一個串行接口電路設計在同一個芯片上面。SHT10在25℃下，測濕精度為±4．5，測溫精度為±0．5℃。
    該傳感器品質卓越、響應快、抗干擾能力強、性價比高。每個傳感器芯片都在極為精確的恒溫室中進行標定，以鏡面冷凝式露點儀作為參照。通過標定得到的校準系數(shù)以程序形式存儲固化在芯片本身的OTP內(nèi)存中。通過兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。體積微小、功耗極低等優(yōu)點使其成為各類應用中的首選。

3 軟件設計與實現(xiàn)
    此方案在鋼鐵企業(yè)的車間內(nèi)部將多個無線傳感器節(jié)點安置在不同設備上，系統(tǒng)中的節(jié)點設備分為ZigBee協(xié)調(diào)器(Coordinator)和ZigBee路由器(Router)兩類，圖3為ZigBee協(xié)議棧的架構，ZigBee協(xié)議棧由一些層構成，它基于標準的OSI七層模型，通過定義相應的層來完成相應的任務。圖4(a)為Coordinator的軟件流程圖，(b)為Router的軟件流程圖。其中Coordinator負責發(fā)起并組建網(wǎng)絡，等待Router的加入，并管理終端節(jié)點，而Router負責采集數(shù)據(jù)并轉發(fā)數(shù)據(jù)。這一網(wǎng)絡中的Router定期采集附著于設備上的傳感器數(shù)據(jù)。當需要發(fā)送相應設備的數(shù)據(jù)時，首先，附著在其上的傳感器節(jié)點將濕度等需要的物理量進行采集，之后，節(jié)點將數(shù)據(jù)包封裝后發(fā)送出去，以車間內(nèi)所有傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡作為支撐，通過網(wǎng)絡路由的方式最終將信息傳輸?shù)焦S的管理終端。這種先進的無線采集通信技術可以使得鋼鐵工廠測量裝置易于安裝，便于維護。

4 結束語
    ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內(nèi)低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。它具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡容量大等特點，受到了相關科研院所和企業(yè)的關注。目前基于ZigBee的相關技術正在不斷地發(fā)展和完善之中，本文對此技術在鋼鐵企業(yè)車間的應用作了相應的研究，基于ZigBee的無線傳輸技術可以使工廠內(nèi)數(shù)據(jù)采集更加方便、高效，維護成本更低，有利于提升工廠的自動化程度。系統(tǒng)實驗證明這一方案的可靠性，具有很高的實用價值。