基于ZigBee的液位過程控制實驗平臺設(shè)計

摘要：應用ZigBee技術(shù)，設(shè)計了一種液位過程控制實驗平臺，以期實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場和控制室之間的無線信號傳輸來代替目前的有線傳輸模式。經(jīng)過分析有線模式的眾多弊端，提出了無線模式的解決方案，并通過ZigBee短距離無線通信以及其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來完成參數(shù)的采集、傳輸、存儲和顯示。
關(guān)鍵詞：ZigBee；過程控制；物聯(lián)網(wǎng)；信號傳輸

0 引言
    目前，許多領(lǐng)域都需要對水位、油罐液位、鍋爐液位等進行監(jiān)控。然而，傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)中工業(yè)現(xiàn)場和控制室之間都是通過有線模式進行信號傳輸，缺陷非常明顯，其安裝、調(diào)試成本高，鋪設(shè)線纜麻煩，其他干擾因素繁雜。
    為了解決傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)中有線模式帶來的麻煩，采用基于ZigBee短距離無線通信方式的液位過程控制實驗平臺，可以克服目前有線模式的不足，降低安裝、調(diào)試、維護的成本，因此，它必將成為未來過程控制實驗平臺市場中的主流。
    ZigBee核心技術(shù)可以歸結(jié)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)具有低成本、低功耗、方便擴展等優(yōu)點，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活多變，傳感監(jiān)測范圍廣，無需接線即可隨時增加監(jiān)測點。因此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學、家居生活及娛樂方而有著廣闊的應用前景。
    本系統(tǒng)是在基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計的無線液位過程控制裝置，符合傳感器智能化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本系統(tǒng)通過ZigBee無線技術(shù)將CS—E型液位過程控制裝置的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。一方面，操控人員和用戶可以通過PC機應用程序或者網(wǎng)頁形式訪問數(shù)據(jù)庫，從而實時監(jiān)測液位傳感器信息。另一方面，操作人員還可以通過PC機發(fā)送控制指令，控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達液位控制節(jié)點，然后通過執(zhí)行器達到液位控制之目的。其液位過程控制裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件集成設(shè)計
    無線液位過程控制系統(tǒng)主要由液位傳感器、控制執(zhí)行機構(gòu)、無線數(shù)據(jù)傳輸(終端節(jié)點)、中心控制、上位機液位顯示等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。
    液位傳感器采集的液位數(shù)據(jù)可通過串口傳送給終端節(jié)點，終端節(jié)點再通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式發(fā)送給中心控制，中心控制結(jié)合上位機應用程序來實時顯示液位數(shù)據(jù)。
    根據(jù)功能劃分，本系統(tǒng)主要由終端節(jié)點和中心控制組成。終端節(jié)點主要完成液位數(shù)據(jù)的采集、控制執(zhí)行和無線傳輸功能。中心控制主要完成數(shù)據(jù)處理、液位顯示、控制命令生成及發(fā)布等功能。
    終端節(jié)點主要由ZigBee節(jié)點、閥門、電源、天線、液位傳感器等部分組成。本系統(tǒng)選用CS—E型壓力液位變送器，由液位傳感器采集的液位數(shù)據(jù)經(jīng)終端節(jié)點通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給中心節(jié)點。系統(tǒng)從中心節(jié)點接收控制信號并經(jīng)上位機判斷處理后，可發(fā)送相應的控制指令對閥門進行相關(guān)控制。
    中心控制主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器、電源、天線、上位機液位顯示等部分組成。ZigBee協(xié)調(diào)器負責將所有ZigBee節(jié)點組網(wǎng)，路由器用于擴展無線傳輸距離。終端節(jié)點將采集到的液位數(shù)據(jù)，經(jīng)路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口方式傳送到后臺數(shù)據(jù)庫，最后利用上位機對數(shù)據(jù)進行判斷處理后顯示液位數(shù)據(jù)，同時生成相應控制指令并將其發(fā)送給終端節(jié)點。
    ZigBee節(jié)點和協(xié)調(diào)器芯片均選用CC2530。CC2530是一個兼容IEEE 802．15．4的真正的片上系統(tǒng)，可支持專有的802．15A以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)
    根據(jù)液位監(jiān)控的要求，可分別設(shè)計基于C／S、B／S模式的監(jiān)控程序，實時顯示液位值、閥門開度等參數(shù)。系統(tǒng)總程序流程圖如圖3所示，監(jiān)控程序效果圖如圖4和圖5所示。

4 結(jié)語
    本設(shè)計的最大意義和亮點在于將ZigBee無線傳感技術(shù)引入到傳統(tǒng)的有線模式液位過程控制實驗平臺，從而克服了目前有線模式的一些弊端，同時降低了安裝、調(diào)試、維護的成本。這是國內(nèi)首次將ZigBee無線傳感技術(shù)運用到液位過程的控制實驗平臺，本設(shè)計可以說是過程控制領(lǐng)域一個重要的模式變革，必將對過程控制領(lǐng)域產(chǎn)生一定的影響。