ZigBee技术在钢铁车间中的数据采集应用

摘要：在传统的钢铁企业车间内进行环境物理量的监测，采用的是布置有线网络监测系统，存在着布线困难、成本较高，不易维护的缺点。基于此，提出新的基于ZigBee无线网络技术来对其进行改造的方案，实现无线、可靠、实时的数据采集监测；方案采用JN5139-Z01模块作为核心硬件，介绍了系统硬件各部分组成和软件结构设计，经实验，系统可以实现对钢铁车间内环境量的实时监测，对提高工厂自动化水平具有重要的意义。
关键词：ZigBee；钢铁企业；环境监控；无线传感器网络

1 总体设计方案
    在钢铁企业的工厂里，除了原料场、焦炉、高炉等，还包含有各种监测控制设备，如对温度、湿度及对煤气等物理量进行采集的设备，环境检测显得尤为重要。一般情况下采集设备以有线网络系统的形式采集与传输数据。但是在布满各种设备的钢铁厂车间里采用有线电缆实现温湿度等工业数据监测采集，有布线非常困难，不便于维护，设备不能随意移动等缺点。而ZigBee网络是一种先进的无线传输技术，它有着功耗低，数据传输可靠，网络容量大，安全性高，实现成本较低等优点，此方案可以使钢铁工厂测量装置易于安装，便于维护，传输可靠。图1为此方案的系统结构图。

    ZigBee是基于IEEE 802．15．4无线标准之上的有关组网、安全与应用技术，使用了IEEE 802．15．4标准定义的物理层与MAC子层。它采用直接序列扩频技术，工作在868 MHz，915 MHz，2．4 GHz的ISM频段。主要应用在消费电子设备、生态监测、农业自动化和医用设备等领域。ZigBee规范定义了三种设备：ZigBee协调器，ZigBee路由器和ZigBee终端设备。在组网方式上，主要采用星状网，树状网和网状结构。采用新兴ZigBee组网技术的环境监测系统，可以改变传统的管理方式，对区域的环境数据实施连续、有效监测与分析，充分发挥了实时监测在环境管理中的作用。特别是对人员无法接近的危险、恶劣环境的实时在线检测，使得能够在中心监控室可以监视环境运行状态。

2 硬件电路设计
2．1 处理器模块
    本文的硬件采用JENNIC公司的JN5139芯片。作为JENNIC公司生产的业界领先的兼容于IEEE 802．15．4的低功耗Soc芯片，芯片集成了一个32位RISC处理器，可以做性能非常强大的MCU使用，其中包含了16 MHz的32位RISC CPU，同时内含有96 kB RAM、192 kB ROM，4个输入端口，2个比较器，12位的ADC，两个11位DAC，2个应用级定时器／计数器，3个系统定时器，2个串口，其中有一个用于系统的在线调试。一个SPI接口，带有5个片选线。同时含有一个2线串行接口。此MCU含有21个GPIO口，每个GPIO端口可通过软件分别配置成输入或输出，并提供推挽式输出或漏极开路输出。本文采用的是对温度和湿度数据量进行监测，在实际中可在GPIO口外接各种煤气的专用传感器，从而实现对钢铁工厂里的环境量的全面监测。

    JN5139模块内部电路图如图2所示，该模块为开发人员提供了访问JN5139芯片的全部数字和模拟接口能力，包括ADC、DAC、比较器、定时器、UART、串行口及GPIO。其I／O访问确保模块可以单独使用，而不必增加额外的电路去实现许多低功耗无线系统所需要的功能。每一个模块都配备了IEEE802．15．4 MAC层软件或ZigBee网络协议栈。
2．2 射频部分
    JN5139工作电压为2．7～3．6V，模块提供高达97dBm的接收敏感，大大提高了工作范围，尤其是在多干扰源的恶劣环境中越显强固，对载波的偏移和EVM有更大的容忍度。发射功率也增强到+3dBm。JNS139模块是目前市面上唯一单芯片无线微控制器，拥有100dB Link budget，同时支持工业温度标准及大工作电源电压范围。当产品在等待外在事件激发，并进入深层休眠方式的时候，芯片功耗仅400 nA，几乎没有消耗任何电力。若内建芯片振荡器和通信协议定时器启动工作，休眠电流消耗也在2μA以下。这些休眠功耗方式与无线收发、通信协议软件、硬件紧密地结合在单芯片无线微控制器上，满足无线传感器网络的电池寿命要求。
    内建存储器增加到192 kB ROM和96 kB RAM，可以充分发挥32位RISC单芯片处理机的超强运算能力，完美地实现了复杂的应用与ZigBee或其他mesh通信协定软件的结合。芯片上的ROM已内含多种软件，包含全球首推IEEE802．15．4版本B的MAC层，支持多种不同厂家的EEPROM装置，JN5139提供了IEEE 802．15．4B和ZigBee版本。
    每个出厂的芯片皆有专属唯一的网络地址(MAC address)识别码，如此可节省外接的Flash存储器。另有256位一次可编程的只读存储器供客户直接烧录AES安全加密金钥或其他专属的识别码。
2．3 数据采集模块
    节点的传感器模块部分主要包含有高精度温湿度传感器SHT10，SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，采用LCC封装，提供全量程标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A／D转换器，以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。SHT10在25℃下，测湿精度为±4．5，测温精度为±0．5℃。
    该传感器品质卓越、响应快、抗干扰能力强、性价比高。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪作为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式存储固化在芯片本身的OTP内存中。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。体积微小、功耗极低等优点使其成为各类应用中的首选。

3 软件设计与实现
    此方案在钢铁企业的车间内部将多个无线传感器节点安置在不同设备上，系统中的节点设备分为ZigBee协调器(Coordinator)和ZigBee路由器(Router)两类，图3为ZigBee协议栈的架构，ZigBee协议栈由一些层构成，它基于标准的OSI七层模型，通过定义相应的层来完成相应的任务。图4(a)为Coordinator的软件流程图，(b)为Router的软件流程图。其中Coordinator负责发起并组建网络，等待Router的加入，并管理终端节点，而Router负责采集数据并转发数据。这一网络中的Router定期采集附着于设备上的传感器数据。当需要发送相应设备的数据时，首先，附着在其上的传感器节点将湿度等需要的物理量进行采集，之后，节点将数据包封装后发送出去，以车间内所有传感器节点组成的网络作为支撑，通过网络路由的方式最终将信息传输到工厂的管理终端。这种先进的无线采集通信技术可以使得钢铁工厂测量装置易于安装，便于维护。

4 结束语
    ZigBee技术是一种应用于短距离范围内低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。它具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大等特点，受到了相关科研院所和企业的关注。目前基于ZigBee的相关技术正在不断地发展和完善之中，本文对此技术在钢铁企业车间的应用作了相应的研究，基于ZigBee的无线传输技术可以使工厂内数据采集更加方便、高效，维护成本更低，有利于提升工厂的自动化程度。系统实验证明这一方案的可靠性，具有很高的实用价值。