Zigbee在工業(yè)現(xiàn)場無線通信中的應(yīng)用

許佳　張明珊　謝廣濤

【摘要】 Zigbee具有的低功耗、低成本、自組網(wǎng)等特點非常適用于工業(yè)現(xiàn)場無線通信?；赯igbee模塊的通信電路，在ISM頻段的2.4GHz，能夠在高密度鋼結(jié)構(gòu)建筑中（煉油裝置）實現(xiàn)100米以內(nèi)的可靠通信，結(jié)合電源控制和Zigbee模塊的休眠/喚醒技術(shù)，一次充電能滿足單個節(jié)點一年以上的工作周期。

【關(guān)鍵詞】 Zigbee 工業(yè)現(xiàn)場 無線通信

一、工業(yè)現(xiàn)場無線通信

無線通信技術(shù)在具有高溫、腐蝕、電磁干擾、易燃易爆等特性的工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用難度較大。當前常見的工業(yè)無線通信技術(shù)有：（1）Zigbee：底層采用 IEEE 802.15.4 標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層，適用于低速短距離傳輸。其主要特色有：低功耗、低成本、低速率、自組網(wǎng)、多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、低復(fù)雜度、安全可靠[1]。（2）Wi-Fi：基于IEEE802.11，可實現(xiàn)小范圍（室內(nèi)50～80m2）的高速率（54Mbps）無線通信。但Wi-Fi必有接入點才能組網(wǎng)，從而使通信距離受限，且因耗電量大而只能有線供電。同時，高能耗引起較高的表面溫升易造成安全隱患。（3）藍牙： Bluetooth可實現(xiàn)近距離（低功率10米，大功率100米）點對點的設(shè)備連接，組網(wǎng)應(yīng)用較少。

二、Zigbee的組網(wǎng)

每臺Zigbee設(shè)備既可以作為終端節(jié)點（End-device），也可以作為路由器（Router），或者以協(xié)調(diào)器（Co-ordinator）的功能使用[2]。Zigbee設(shè)備會自動尋找最為合適的路由，保證通信鏈路的暢通，最多可以組網(wǎng)65536臺設(shè)備。

Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓撲主要有三種形式：星形、樹形、網(wǎng)格形。圖1為兼具星形和樹形拓撲的優(yōu)點的網(wǎng)格形拓撲，能使通信暢通并更有效率，適合現(xiàn)場使用。

圖1 Zigbee網(wǎng)格形拓撲結(jié)構(gòu)圖

三、Zigbee的產(chǎn)品應(yīng)用

煉化企業(yè)屬于典型的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境：電磁干擾，易燃易爆，高密度金屬建筑結(jié)構(gòu)，并且有腐蝕性氣、液體等。在這樣的環(huán)境中，有線的方式建設(shè)周期長，成本高，檢維修難度大，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不靈活，尤其對于一些高溫、有毒、不易到達的高處更是如此，而無線通信的方式可以完美解決這類問題。

自動定點測厚系統(tǒng)就是在充分研究煉化企業(yè)工作環(huán)境的特殊性的基礎(chǔ)上，為滿足大量壓力容器管道壁厚測量的要求而開發(fā)出來的高新技術(shù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)由探頭、無線變送器、網(wǎng)關(guān)、上位機等組成。其中的無線變送器核心技術(shù)就是Zigbee。本方案使用美國CEL公司的MeshConnect模塊。該模塊的集成度高，元件數(shù)量少，可以有效降低功率消耗?；谠撃K的外圍電路主要完成對模塊的供電、控制、射頻信號的匹配、數(shù)據(jù)采集計算存儲等功能。

圖2 通信距離與環(huán)境的關(guān)系

本方案使用2.4GHz的頻段，經(jīng)測試，在空曠地帶，視距傳輸能夠達到600米，高密度的辦公區(qū)域，可以到60米，而在煉油裝置中，100米以內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠通信。

基于Zigbee的在線自動定點測厚系統(tǒng)，已在煉化企業(yè)成功安裝700多個測點，所使用的網(wǎng)絡(luò)拓撲都是網(wǎng)格形的，從實際效果來看，除卻硬件故障和電池壽命（電池≥1年）的原因，各測點通信狀況良好，可保證所有測點永遠在線。

圖3 現(xiàn)場實施照片

四、總結(jié)

Zigbee的低功耗、組網(wǎng)自由是其最為實用的技術(shù)亮點，較低的成本和相對完善的供應(yīng)鏈使其更容易實現(xiàn)針對性的開發(fā)應(yīng)用，而從實際的使用效果來看，煉化企業(yè)復(fù)雜且高危的環(huán)境對其來說也無任何難度，因此，Zigbee在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用可謂前景廣闊。未來，智能化和模塊化將會是一個發(fā)展趨勢，其結(jié)果，必然使得Zigbee以更低的成本和更高的性能深入到工業(yè)領(lǐng)域的各種無線通信的應(yīng)用中去，為工業(yè)現(xiàn)場無線通信，乃至物聯(lián)網(wǎng)的無線通信的發(fā)展起到舉足輕重的作用。