基于ZigBee技术的压缩空气流量计量管理系统的设计

　　当前,工业现场压缩空气的使用普遍存在以下问题: (1)压缩空气的使用处于无成本意识、无节制的状态[1]; (2)管道中压缩空气的流量没有受到有效的监管; (3)压缩空气的泄漏量缺乏准确、有效的测量。上述问题的存在造成了压缩空气使用的严重浪费。科学、准确、可靠的流量计量管理是解决上述问题的重要手段之一。同时,建立压缩空气流量计量管理系统,可为气动系统综合信息管理及空压机群智能控制系统[2]提供重要信息———流量信息。作者研究基于Zigbee无线通信网络技术的压缩空气流量计量管理系统。

　　1　ZigBee技术简介

　　ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术[2],从诞生到现在只有几年的时间,呈现出蓬勃的发展态势,被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术[3]。

　　1·1　ZigBee协议架构

　　ZigBee协议架构建立在IEEE802·15·4标准之上。IEEE802·15·4标准定义了ZigBee的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC); ZigBee联盟定义了Zig-Bee协议的网络层(NWK)、应用层(APL),还定义了安全服务规范,以保证不会意外泄露其标识,而且其远距离传输不会被其他节点获得[3]。

　　1·2　ZigBee网络拓扑

　　ZigBee网络拓扑结构主要有星状、串状、网状3种形式(如图1[4]),每个节点的功能并非都相同。

　　根据无线节点分布情况的不同,可选择不同的网络拓扑结构。设计该压缩空气流量计量管理系统时,考虑到工业现场具有各种干扰无线传输的因素,为了提高无线传感器网络可靠性,采用网状拓扑结构。网状拓扑结构中每个节点都具有智能化的特点,当网络中任一节点发生故障时,附近的无线节点会自动代替该节点,继续进行信息的传输和转发,从而大大提高了系统的可靠性。

　　1·3　ZigBee的特点

　　ZigBee技术具有低功耗、低成本、低速率、短时延、高安全、高扩展性等特点。

　　在该压缩空气流量计量管理系统中应用ZigBee无线传输技术,相对于现场总线来说,具有无需布线、施工难度降低、网络结构更改与扩展方便的优势。

　　2　系统总体设计

　　该压缩空气计量管理系统总体设计方案如图2所示。在需进行流量监测的压缩空气管道中装上流量计,流量计输出的模拟信号经AD转换模块,转换成数字量输入到ZigBee无线通信模块,这些模块在ZigBee无线通信网络中作为终端节点,负责采集终端(流量计)数据。中心节点作为无线传感器网络中的协调器,负责管理整个网络,并与工控机进行通信,在ZigBee无线网络中,协调器是唯一的。为了提高整个网络数据传输的稳定性和可靠性,根据工业现场中心节点与终端节点之间的相对位置及工况(是否有能屏蔽信号的障碍物、干扰等),在网络中适当地加若干个中继节点,这些中继节点在网络中起路由器的作用。整个网络的拓扑结构是网状拓扑结构如图1(b)示。