Zigbee在工业现场无线通信中的应用

许佳　张明珊　谢广涛

【摘要】 Zigbee具有的低功耗、低成本、自组网等特点非常适用于工业现场无线通信。基于Zigbee模块的通信电路，在ISM频段的2.4GHz，能夠在高密度钢结构建筑中（炼油装置）实现100米以内的可靠通信，结合电源控制和Zigbee模块的休眠/唤醒技术，一次充电能满足单个节点一年以上的工作周期。

【关键词】 Zigbee 工业现场 无线通信

一、工业现场无线通信

无线通信技术在具有高温、腐蚀、电磁干扰、易燃易爆等特性的工业现场中应用难度较大。当前常见的工业无线通信技术有：（1）Zigbee：底层采用 IEEE 802.15.4 标准规范的媒体访问层与物理层，适用于低速短距离传输。其主要特色有：低功耗、低成本、低速率、自组网、多种网络拓扑、低复杂度、安全可靠[1]。（2）Wi-Fi：基于IEEE802.11，可实现小范围（室内50～80m2）的高速率（54Mbps）无线通信。但Wi-Fi必有接入点才能组网，从而使通信距离受限，且因耗电量大而只能有线供电。同时，高能耗引起较高的表面温升易造成安全隐患。（3）蓝牙： Bluetooth可实现近距离（低功率10米，大功率100米）点对点的设备连接，组网应用较少。

二、Zigbee的组网

每台Zigbee设备既可以作为终端节点（End-device），也可以作为路由器（Router），或者以协调器（Co-ordinator）的功能使用[2]。Zigbee设备会自动寻找最为合适的路由，保证通信链路的畅通，最多可以组网65536台设备。

Zigbee的网络拓扑主要有三种形式：星形、树形、网格形。图1为兼具星形和树形拓扑的优点的网格形拓扑，能使通信畅通并更有效率，适合现场使用。

图1 Zigbee网格形拓扑结构图

三、Zigbee的产品应用

炼化企业属于典型的工业生产环境：电磁干扰，易燃易爆，高密度金属建筑结构，并且有腐蚀性气、液体等。在这样的环境中，有线的方式建设周期长，成本高，检维修难度大，网络拓扑结构不灵活，尤其对于一些高温、有毒、不易到达的高处更是如此，而无线通信的方式可以完美解决这类问题。

自动定点测厚系统就是在充分研究炼化企业工作环境的特殊性的基础上，为满足大量压力容器管道壁厚测量的要求而开发出来的高新技术产品。该系统由探头、无线变送器、网关、上位机等组成。其中的无线变送器核心技术就是Zigbee。本方案使用美国CEL公司的MeshConnect模块。该模块的集成度高，元件数量少，可以有效降低功率消耗。基于该模块的外围电路主要完成对模块的供电、控制、射频信号的匹配、数据采集计算存储等功能。

图2 通信距离与环境的关系

本方案使用2.4GHz的频段，经测试，在空旷地带，视距传输能够达到600米，高密度的办公区域，可以到60米，而在炼油装置中，100米以内能够实现可靠通信。

基于Zigbee的在线自动定点测厚系统，已在炼化企业成功安装700多个测点，所使用的网络拓扑都是网格形的，从实际效果来看，除却硬件故障和电池寿命（电池≥1年）的原因，各测点通信状况良好，可保证所有测点永远在线。

图3 现场实施照片

四、总结

Zigbee的低功耗、组网自由是其最为实用的技术亮点，较低的成本和相对完善的供应链使其更容易实现针对性的开发应用，而从实际的使用效果来看，炼化企业复杂且高危的环境对其来说也无任何难度，因此，Zigbee在工业现场的应用可谓前景广阔。未来，智能化和模块化将会是一个发展趋势，其结果，必然使得Zigbee以更低的成本和更高的性能深入到工业领域的各种无线通信的应用中去，为工业现场无线通信，乃至物联网的无线通信的发展起到举足轻重的作用。