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1、化工自动化及仪表,2010,37(4):81～85研究与应用ControlandInstrumentsinChemicalIndustry基于ZigBee的工控网数据采集传输系统设计1,2311朱斌,唐勇,谭勇,夏锴(1.长江师范学院物理学与电子工程学院,重庆408100;2.西南交通大学电气工程学院,成都610031;3.中国核工业建峰化工总厂,重庆408002)摘要:介绍ZigBee技术和无线数据采集传输系统的拓扑结构,在深入分析ZigBee协议和工业控制网络结构的基础上,结合实际应用环境的特点
2、,提出ZigBee无线终端设备接入工业控制网络的协议模型。采用基于Zig2Bee技术的CC2420芯片,探讨ZigBee无线终端和ZigBee无线网关的设计实现方法。测试结果表明,系统运行稳定、可靠。关键词:ZigBee;工业控制网络;数据采集;协议模型;CC2420中图分类号:TN92文献标识码:A文章编号:100023932(2010)04200812051引言传感器节点由数据采集模块、数据处理和控制模块、[4]随着制约以太网进入工业控制网络的确定性、通信模块和电源模块组成,节点在网络中负责完成
3、稳定性和可靠性等一系列难题的解决[5],使得工业以数据的采集、数据收发和数据转发。在ZigBee无线[1]太网逐渐成为当前工业控制网络发展的首选。但传感器网络中,节点分三种类型:主节点、路由节点以基于TCP/IP协议的工业以太网在组网时仍需要布及终端节点。主节点即协调器,是网络的核心。Zig2线,而且在工业现场,布线在某些场合下可能会受到Bee协议规定[6]:只有当前还没有加入网络且具有限制。为了解决工业环境及过程控制环境下的移动ZigBee协调器功能的设备才可以建立新的网络。因对象、高速旋转对象和
4、危险环境对象的监测与控制,此,主节点的功能主要是建立一个网络并下发地址。可以运用无线通信技术来完成现场数据的采集、传路由节点是网络中的无线收发器,负责邻近节点数据输和对现场设备的控制。ZigBee技术以其低功耗、的转发和维护网内路径。终端节点是网络中最底层低成本、架构简单、体积小等特点,正好满足工业现的节点,负责传感器输出信息的采集、转换和发送。场的这一需求。将ZigBee无线通信技术应用于工相应地,ZigBee无线传感器网络支持三种设备类型:业控制系统,工业控制网络就将在现场总线体系结协调器(ZC
5、,ZigBeeCoordinator)、路由器(ZR,ZigBee构的基础上兼有无线通信的优点。①Router)和终端设备(ZED,ZigBeeEndDevice),其中,2ZigBee技术终端设备属于精简功能设备(RFD,ReducedFunction2.1ZigBee概述Device,RFD),协调器和路由器属于全功能设备ZigBee是以IEEE802.15.4无线标准为基础开(FFD,FullFunctionDevice,FFD)。RFD只是一个简发的无线传感器网络协议,是第一种用于传感器与单
6、的ZigBee协议节点,仅可与FFD通信,实现ZigBee制动器等监测和控制应用的开放无线标准。传输距协议提供服务的最小部分。与RFD相比,FFD在硬离可以从标准的75m扩展至几百米,甚至上千米。件功能上比较完备,在通信能力方面,FFD可以与所其特点是:近距离、低功耗、低成本、高可靠性、网络有其他的FFD或RFD通信,而RFD只能和与其关联容量大、组网灵活、时延短,而且提供数据完整性检[2]的FFD进行通信。查、鉴权功能和AES2128加密算法。能够实现对ZigBee的网络拓扑结构有星型、簇树型和网
7、状短距离、特殊场合下的参数采集和传输,在工业控制网络三种。星型网络是一个辐射状系统,数据和通等领域中具有独特的优势。信命令都通过中心节点传输。簇树型网络是由协调2.2ZigBee无线传感器网络器组织的多个星型网,扩大了网络的覆盖范围,终端无线传感器网络(WSN,WirelessSensorNet2works)技术是传感器技术、无线通信技术、计算机技节点可接入协调器节点,也可接入具有路由功能的术和信息处理技术等的交叉融合,是当前国际学术界FFD节点,但具有路由功能的FFD节点相互之间不[3]和产业界共
8、同关注的前沿研究热点。无线传感器网络由许多功能相同或不同的传感器节点组成,每个①收稿日期:2009212230(修改稿)©·82·化工自动化及仪表第37卷能直接通信,只能通过协调器节点完成相互间的通信。网状网络是一种高可靠性的AdHoc网络,与簇树型网络不同的是具有路由功能的FFD节点相互间可以直接互通信息,故网状网络通过自组织和无线路由功能可提供多个数据通信路径。当最优的通信路径发生故障时,网状网络会在冗余的其他路径中选择最合适的路径供数据通信,因此,网状网络能够有
