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[摘 要]工业控制是指使用计算机技术，微电子技术，电气手段，使工厂的生产和制造过程更加自动化、效率化、精确化，并具有可控性及可视性。随着工业自动化技术的发展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求越来越高，有线控制网络的局限性也越来越突出。ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。本研究主要介绍了ZigBee的网络模型，并探讨了ZigBee技术在工业控制中的应用。
[关键词]ZigBee 工业控制 网络模型
中图分类号：TU1.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）04-0246-01
前言：随着计算机技术、微电子技术和信息管理技术的不断进步，工业控制系统逐步由集中走向分散。网络化、开放化、智能化和集成化成为了工业控制技术发展的方向。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其中物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。可以嵌入各种设备，非常适合用于自动控制和远程控制领域。
1.ZigBee技术介绍
1.1 ZigBee协议
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。在ZigBee技术中，其体系结构一般用层来描述它的各个简化标准，ZigBee协议符合七层网络结构，主要由物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）组成。在IEEE802.15.4定义的物理层和子层协议规范基础上，继续定义了网络层和应用层，在应用层中规范了应用支持子层和设备对象。每一层负责完成所规定的相应任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。根据IEEE802.15.4标准协议，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上分为16个信道。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255 个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。其中物理层和介质访问控制层主要采用IEEE802.15.4协议标准，其余协议主要参照和采用现有的传统无线技术的协议标准，由ZigBee联盟制定。
1.2 ZigBee节点模块系统结构
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。由于ZigBee节点模块要与电器仪表等现场设备一起使用或者单独使用，并且使用电池供电，所以要求ZigBee节点模块体积小、低功耗和高可靠性。ZigBee节点硬件模块主要由微控制器、无线射频收发模块、串口接口、调试模块、液晶模块和电源模块组成。微控制器主要用于控制无线射频收发模块，处理射频信号，控制和协调各个器件的工作。我们可以在传感器终端加装不同的传感器来实现对所需数据的监控，从而发挥ZigBee平台的作用。中心数据管理终端由中心节点和PC机组成，二者之间可以通过 RS232 实现数据通信。平台采用了Microchip公司提供的开放协议栈，通过设计修改其应用层代码来实现所需的功能。通常，ZigBee 节点的IEEE64 位地址是由用户自己定义的， 它们被写在节点的 EEPROM 中。而每个终端节点入网后，中心节点会分配给它一个16位网络短地址。对于初次使用的终端节点，可以经过与中心节点绑定过程从而让终端节点的地址信息出现在中心节点的绑定表中，使数据的收发更加稳定。
2.ZigBee技术在工业控制领域的应用
2.1 ZigBee在工厂消防监控中的应用
随着人们生活质量的提高。装修装饰逐步高档化，电器设备的增多，高层及超高层建筑的增加以及商场超市等群众聚集场所规模的迅速扩大，消防安全的重要性越来越突出。而今，物联网技术的发展和成熟，越来越多的新型建筑采用了智能消防系统。整个系统分成两部分：无线烟感器终端（多个）和中心数据管理终端。无线烟感器终端是检测发送烟雾数据的集成设备，它在检测到一定浓度的烟雾后在本地报警，同时通过无线网络传输给管理终端。ZigBee喷淋和报警控制器内置基于CC2530的ZigBee终端节点，它能通过无线信道接收来自ZigBee协调器下发的指令，解析后执行喷淋器、报警器的控制，并可根据需要采集喷淋器、报警器的运行状态上报协调器。CC2530的P0.0口是采集烟雾传感探头输出信号的I/O口，当CC2530检测到P0.0为低电平时，说明有火情发生；反之，说明无火情。
2.2 ZigBee和CAN总线技术的应用
在现代工业控制领域，对现场无线化的需求也进一步加大，所以使用CAN总线技术和ZigBee技术的结合，运用到一定范围内的工业控制现场，是一个很好的方式。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息；CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；CAN采用非破坏性总线仲裁技术；CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据；CAN总线是两线结构 ，即为差分形式的物理结构。也就是说，CAN总线上使用“显性”（逻辑0）和“隐性”（逻辑1）两个互补值来表达逻辑。CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbit/s以下），通信速率最高可达1Mbit/s（此时通信距离最长为40m）；CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低；CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光缆，选择灵活。网关主要由CAN收发器、CAN控制器、ZigBee模块以及负责协议转换的控制器组成。CAN 节点没有固定的站点地址，即没有主从节点之分，可以有多个主机。节点发送的帧消息根据仲裁域赋予的优先级对总线进行竞争，即当有多条帧消息同时出现在总线上时，发送低优先级帧消息的节点主动退出总线竞争，具有最高优先级的帧消息继续传输，这样节省了总线冲突的仲裁时间，即使网络负载很重也不会瘫痪。由于CAN总线与ZigBee通讯的传输速率和传输方式不尽相同，所以为保证两者之间的数据传输的同步性，也为保障系统的稳定性，一般使用譬如高速SPI等高速協议作为转换控制器。
结语：
基于ZigBee技术的无线监测系统方案实现成本低， 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长，这是ZigBee 的突出优势。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10） ，降低了对通信控制器的要求。而且，ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网，具有大容量的特点。因此可以广泛应用于工业控制，而且扩展性强，对系统进行改进后可实现能源监控，工业自动化管理等，具有很强的实用价值。
参考文献：
[1] 王秀梅，刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件，2011，12（3）：59～62.
[2] 陈一天，余爱民.802.11b无线局域网抵御辐射干扰能力的分析[J].计算机工程与设计，2012，26（6）：1444～1446.
[关键词]ZigBee 工业控制 网络模型
中图分类号：TU1.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）04-0246-01
前言：随着计算机技术、微电子技术和信息管理技术的不断进步，工业控制系统逐步由集中走向分散。网络化、开放化、智能化和集成化成为了工业控制技术发展的方向。ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其中物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。可以嵌入各种设备，非常适合用于自动控制和远程控制领域。
1.ZigBee技术介绍
1.1 ZigBee协议
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。在ZigBee技术中，其体系结构一般用层来描述它的各个简化标准，ZigBee协议符合七层网络结构，主要由物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）组成。在IEEE802.15.4定义的物理层和子层协议规范基础上，继续定义了网络层和应用层，在应用层中规范了应用支持子层和设备对象。每一层负责完成所规定的相应任务，并且向上层提供服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。根据IEEE802.15.4标准协议，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上分为16个信道。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255 个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。其中物理层和介质访问控制层主要采用IEEE802.15.4协议标准，其余协议主要参照和采用现有的传统无线技术的协议标准，由ZigBee联盟制定。
1.2 ZigBee节点模块系统结构
传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。由于ZigBee节点模块要与电器仪表等现场设备一起使用或者单独使用，并且使用电池供电，所以要求ZigBee节点模块体积小、低功耗和高可靠性。ZigBee节点硬件模块主要由微控制器、无线射频收发模块、串口接口、调试模块、液晶模块和电源模块组成。微控制器主要用于控制无线射频收发模块，处理射频信号，控制和协调各个器件的工作。我们可以在传感器终端加装不同的传感器来实现对所需数据的监控，从而发挥ZigBee平台的作用。中心数据管理终端由中心节点和PC机组成，二者之间可以通过 RS232 实现数据通信。平台采用了Microchip公司提供的开放协议栈，通过设计修改其应用层代码来实现所需的功能。通常，ZigBee 节点的IEEE64 位地址是由用户自己定义的， 它们被写在节点的 EEPROM 中。而每个终端节点入网后，中心节点会分配给它一个16位网络短地址。对于初次使用的终端节点，可以经过与中心节点绑定过程从而让终端节点的地址信息出现在中心节点的绑定表中，使数据的收发更加稳定。
2.ZigBee技术在工业控制领域的应用
2.1 ZigBee在工厂消防监控中的应用
随着人们生活质量的提高。装修装饰逐步高档化，电器设备的增多，高层及超高层建筑的增加以及商场超市等群众聚集场所规模的迅速扩大，消防安全的重要性越来越突出。而今，物联网技术的发展和成熟，越来越多的新型建筑采用了智能消防系统。整个系统分成两部分：无线烟感器终端（多个）和中心数据管理终端。无线烟感器终端是检测发送烟雾数据的集成设备，它在检测到一定浓度的烟雾后在本地报警，同时通过无线网络传输给管理终端。ZigBee喷淋和报警控制器内置基于CC2530的ZigBee终端节点，它能通过无线信道接收来自ZigBee协调器下发的指令，解析后执行喷淋器、报警器的控制，并可根据需要采集喷淋器、报警器的运行状态上报协调器。CC2530的P0.0口是采集烟雾传感探头输出信号的I/O口，当CC2530检测到P0.0为低电平时，说明有火情发生；反之，说明无火情。
2.2 ZigBee和CAN总线技术的应用
在现代工业控制领域，对现场无线化的需求也进一步加大，所以使用CAN总线技术和ZigBee技术的结合，运用到一定范围内的工业控制现场，是一个很好的方式。CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息；CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；CAN采用非破坏性总线仲裁技术；CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据；CAN总线是两线结构 ，即为差分形式的物理结构。也就是说，CAN总线上使用“显性”（逻辑0）和“隐性”（逻辑1）两个互补值来表达逻辑。CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbit/s以下），通信速率最高可达1Mbit/s（此时通信距离最长为40m）；CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低；CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光缆，选择灵活。网关主要由CAN收发器、CAN控制器、ZigBee模块以及负责协议转换的控制器组成。CAN 节点没有固定的站点地址，即没有主从节点之分，可以有多个主机。节点发送的帧消息根据仲裁域赋予的优先级对总线进行竞争，即当有多条帧消息同时出现在总线上时，发送低优先级帧消息的节点主动退出总线竞争，具有最高优先级的帧消息继续传输，这样节省了总线冲突的仲裁时间，即使网络负载很重也不会瘫痪。由于CAN总线与ZigBee通讯的传输速率和传输方式不尽相同，所以为保证两者之间的数据传输的同步性，也为保障系统的稳定性，一般使用譬如高速SPI等高速協议作为转换控制器。
结语：
基于ZigBee技术的无线监测系统方案实现成本低， 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长，这是ZigBee 的突出优势。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10） ，降低了对通信控制器的要求。而且，ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网，具有大容量的特点。因此可以广泛应用于工业控制，而且扩展性强，对系统进行改进后可实现能源监控，工业自动化管理等，具有很强的实用价值。
参考文献：
[1] 王秀梅，刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件，2011，12（3）：59～62.
[2] 陈一天，余爱民.802.11b无线局域网抵御辐射干扰能力的分析[J].计算机工程与设计，2012，26（6）：1444～1446.