ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文（精选8篇）

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇1

随着自动控制系统的发展，其在越来越多的行业中发挥了重要的作用。当前系统中的设备通过电缆来连接，从而形成了很大的限制性，为了拓宽系统控制的范围，在系统中应用了ZigBee无线网络技术，这种技术具备成本低、易维护、自我修复等优点，可以实现远程自动控制。与现有的自动控制系统有线网络相比，基于ZigBee无线网络技术的自动控制系统将会具备更加优越的性能，从而提升运行的稳定性及可靠性。

1自动控制系统的硬件设计

1.1发射模块

传感器在进行信号发送时，发送的为4~20mA的标准电流信号，发射模块接收到信号之后，需要对信号进行转换，变为电磁波无线之后在发射出去，而这就是发射模块的功能。发射模块的硬件具有固定的结构，接收到传感器的信号之后，首先由I/V变换电路对信号进行变换，经过变换之后，标准电流信号由4~20mA变为1~5V，随后，变化之后的信号经过零点迁移电路，成为0~4V电压，再经过A/D转换器以及单片机之后，变成电磁波无线信号，实现与下位机之间的通信。在进行发射模块硬件电路设计时，首先要对使用的元器件进行了解，在自动控制系统中，所使用的微控制器的型号为P89LPC935，该型号为单片封装，处理器结构的性能非常高，在执行命令时，所需的时间比较少，同时，此种型号的微控制器中集合了很多系统级的功能，使用之后可以大量的减少元器件的数量，降低系统成本；射频芯片的型号为CC1100，此种芯片具备可编程的特点，而且与ZigBee协议之间具备较高的一致性，在低功耗无线应用中，适用性非常强；ADS7829是发射模块硬件电路中一个重要的元件，此种型号的元件所具备的采样速率是非常快的；在I/V变换电路中，主要的功能就是信号变换，在选择元件时，采用了无源I/V变换；零点迁移电路为LM358，在LM358内部，设置了两个双运算放大器，这两个部件之间相互独立，在单电源中具备比较高的适用性。在明确电路元器件的型号和功能之后，就需要进行发射模块硬件电路设计。

1.2接收模块

接收模块硬件电路设计的步骤与发射模块是相同的，首先需要明确各个元器件的型号及功能。在接收模块中，包含四个部分：射频芯片、单片机、D/A转换器、V/I转换电路。实际上，接收模块的工作流程就是将发射模块逆过来。D/A转换器选择的型号为TLV5617，此种芯片的接口为SPI接口，输入时的通道为单个，输出时的通道为双通道，芯片的输入端与发射模块单片机的接口需要进行有效地连接；V/I转换器选择的为集成的AD694型号，通过转换器的转换，将接收到的信号还原为4~20mA标准电流信号。这两个部分的元件型号确定之后，就需要根据其功能及相关的要求来进行电路设计。

1.3PCB电磁兼容

在进行PCB设计的过程中，电磁兼容是必须要考虑的，只有电磁兼容性能比较优异，才能保证PCB设计的合理性及科学性，具体说来，应该注意四个方面的问题：①在进行电源线设计时，为了将环路电阻减少，就需要将电源线的宽度增加，同时，在进行电源线的走向设计时，要与数据传递的方向保持一致，这样一来，抗噪声的能力才会比较好；②在进行集成芯片的电源输入设计时，要设置滤波电容，位置为电源输入脚；③为了保证晶振的正常运转，在晶振信号线附近要避免其他信号的穿过；④为了将寄生耦合降低，元件面与焊接面之间不能出现平行。

2自动控制系统的软件设计

2.1需解决的问题

自动控制系统在应用ZigBee无线网络技术进行软件设计时，首先需要解决可靠性以及延时两个方面的问题。对于可靠性，要从硬件设计及软件设计两个方面来保证，通过电路的合理设计以及软件的科学编程，来提升自动控制系统运行的可靠性；对于延时，延时的存在会在很大程度上影响系统的可靠性、稳定性，不过在系统中应用了ZigBee技术之后，延时问题也被有效的解决。这样一来，通过ZigBee无线网络技术在自动控制系统中的应用，有效的解决了可靠性及延时的问题。

2.2发射模块

①进行初始化程序设计。针对微控制器的型号，在进行软件设计时，就需要选择I/O口输出模式，为了保证I/O输出模式的正常使用，I/O口模式要保证正确的配置，通常来说，I/O口配置寄存器决定了其模式。I/O口模式配置完成之后，需要进行SPI寄存器初始化，在SPI寄存器中，包含主模式和从模式两种操作形式，这两种模式所具备的速率是非常快的。初始化完成之后，要将开门狗关闭，并将外部中断开启。②CC1100初始化程序设计。在CC1100中，微控制器为其接口显示，在进行初始化程序设计时，要对寄存器进行正确的配置。③发射模块软件程序设计。无线收发模块的电源来源为电池，为了保证其具备较长的使用寿命，就需要将系统的工作时间尽量的减低，在非工作状态时，系统需要处于睡眠状态，基于此，LPC935在工作时，采用的方式为定时采样中断，采样完成之后，就会进入到睡眠状。

2.3接收模块

在进行了一段时间的控制之后，CC1100将会自动终止接收，这是CC1100具备的一个可选功能，称之为电磁波激活。也就是说，CC1100在工作的过程中，接收等待状况并不是一直持续的，而是接收等待状况以及深度休眠状态各维持一定的时间，这样一来，在对数据信号进行侦测时，就可以不借助MCU的作用。CC1100在进行侦测时，如果侦测到数据信号，就会将信号发送给LPC935，如果此时LPC935处于休眠的状态，CC1100就会向其发送一个外部中断信号，LPC935接收之后进行相应的反应，同时进行数据信号的接收，数据信号接收完毕并检测地址正确之后，就会向发送模块发出已接收的应答信号。这一系列的过程完成之后，会再次进入到休眠状态，直到再有数据信号传来时，才能被激活。

3结论

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇2

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术具有更低的功耗和成本。ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了其适合于承载数据流量较小的业务,因而在建筑智能化等领域有着广泛的应用前景[1,2,3]。

目前,城市家庭必备的煤气、电表和水表绝大多数尚处于人工抄读方式,不但工作量巨大,而且容易带来许多安全隐患。近年来,在不改动现有仪表安装状态的情况下实现仪表数值的自动识读,成为建筑智能化领域的热门研究方向之一。以无线ZigBee方式实现数据传输能够避免管线改造所带来的极大不便符合智能家居的发展趋势,易于与智能家居系统实现无缝集成[4,5]。

本研究基于ZigBee技术设计了一种新型的自动抄表无线通讯系统。

1 ZigBee技术概述

相对于常见的无线通信标准,ZigBee协议栈紧凑而简单,其具体实现的要求很低。8位处理器(如80C 51)再配上4KBROM和64KB RAM等就可以满足其基本需要,从而大大降低了应用成本。完整的ZigBee协议栈模型如图1所示[6]。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成,网络层以上的协议由ZigBee联盟负责,IEEE制定物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上,主要包括安全属性设置、多个业务数据流的汇聚等功能网络层采用基于

技术的路由协议,除了包含通用的网络层功能外,还实现了网络的自组织和自维护,以最大程度地方便消费者的使用,降低网络的维护成本[7]。

ZigBee技术的低功耗特点十分突出,在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持一个节点工作6~24个月,甚至更长时间。ZigBee技术还具有较高的可靠性和安全性。它采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突;另外MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息;ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。此外,ZigBee技术还具有较快的响应速度和较高的网络容量,适合大规模的系统组网应用。

2 ZigBee在自动抄表系统中的应用

2.1 网络结构

ZigBee网络的拓扑结构主要有3种:星型、树状和网状网络[8,9]。网状网络容错能力高,自适应力好,传输距离长,但其复杂度也最高;星型网由一个协调器节点和多个网络终端节点组成,终端节点通过协调器节点实现通信,虽然具有简洁和低功耗等特点,但通讯范围极其有限;集群树状网是由一个协调器组织的多个星型网,扩大了网络的覆盖范围,网络终端节点(RFD)不但可以接入协调器节点,也可任意接入具有路由功能的路由(FFD)节点,复杂度适中,具有较高的性价比。所以在自动抄表系统中,本研究选择树状网,如图2所示。

在Zigbee无线自动抄表系统中,将各个抄表模块通讯口与ZigbeeRFD模块进行有线的连接通信,数据经由ZigbeeRFD模块转化为Zigbee通信协议包,传给FFD模块,FFD模块以多跳通信的方式把数据包传到Zigbee协调器和服务器。

具体的工作流程是:各表数据经由ZigBeeRFF模块,传给就近的FFD模块,FFD模块以多跳通信的方式把数据包传到ZigBee协调器,ZigBee协调器节点收到数据包后,一方面按原路径将确认信息返回到发送数据的RFD模块,实现握手通信(至此完成一次完整的Zigbee无线通信,否则RFD模块将继续发送数据,直到收到协调器节点返回的确认信息);另一方面,Zigbee协调器节点通过现有网络把收到的数据传给中心管理计算机,将数据集中,这样就实现了整个无线自动抄表的过程。

2.2 抄表节点的设计

抄表节点由电源模块、图像采集模块、DSP数据处理模块、无线传输模块以及天线组成。其中图像采集模块、DSP数据处理模块主要负责数据的采集和处理,并将处理后的数据通过SPI总线传给无线模块。

系统采用OV 5017型CMOS黑白图像传感器,可以输出8位的数字视频流,与CCIR标准兼容。其像素阵列为384×288。通过对地址线A[3..0]的设置来选择寄存器,通过读写数据线[7..0]来读取或设置寄存器。地址号10××的寄存器为视频数据端口,当选中并读取它时,芯片向外输出数据视频流。由于TMS320VC 5402和OV 5017分别工作在3.3V和5.0V电平下,采用74LCX 245芯片实现电平转换。

系统采用TMS320VC 5402,用于读取CMOS图像传感器的数据并进行识读处理。运行速度可以达到100MIPS,而且内部集成有高速16K×16位的可同时读写操作的快速RAM。TMS320C 5402对OV 5017输出的数字图像进行预处理、存储和图像识别,同时以SPI总线与CC 2430通信,实现无线数据传输。TMS320C 5402的多通道缓冲串行口McBSP可以配置为SPI模式,在时钟停止模式下作为主设备与CC 2430实现通信。

CC 2430在单芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端内存和微控制器在接收和发射模式下电流损耗分别低于27mA或25mA,很适合电池供电的应用。CC 2430只需要极少的外围元器件,其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路两个部分。芯片本振信号既可由外部电源提供,也可由内部电路提供。由内部电路提供时,需外加晶体振荡器和两个负载电容。电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗。

考虑到小区范围可能大于ZigBee无线通信的距离,因此对于规模较大的小区,可以在每幢楼或数幢楼增设一个路由结点,实现信号的中继传递。一个ZigBee网络最多支持65 535个节点,完全可以满足一般小区的需要。

系统采用2节600mAh的锂聚合物电池供电,可以提供7.2V电压,通过LDO器件供应系统所需要的1.8V、3.3V和5.0V电源。系统自带充电电路,当电量不足时能发出报警信号。

读数采集模块安装在仪表的正上方,平时处于休眠状态,仅在收到集中器的呼叫时才开始工作,完成数据传输并校验无误后,将自动转入休眠状态。在OV 5017周围均匀布置6个白光LED,以提供均匀的照明环境,从而便于获得清晰的仪表数值图像。

2.3 数据的收发实现

因CC 2430内部已集成了ZigBee通信协议,开发时只需配置其属性,无需额外开发复杂的底层协议。实验时,首先要进行模块初始化配置,如配置寄存器、分配节点地址等。传输开始后,首先数据集中器会向网络终端节点发送唤醒信“AWR”,启动终端抄表模块的工作。摄像头采集的数据图经过DSP处理后,通过SPI总线传给无线发送模块。

CC 2430的网络终端节点会将从DSP通过SPI总线传来的数据写到TXFIFO,然后启动发送,直接(或者经过路由节点)传送到数据集中器。终端节点可以通过读返回的状态,即TX-ACTIVE位(ACK 1),来判断是否发送成功(实际是通过函数的返回值来判断)。如果发送成功且收到集中器发来的确认标志(ACK 2),自动转入休眠状态,否则继续发送,直到成功为止。集中器启动数据接收功能后,就等待接收数据,接收到的数据存在RXFIFO里。如果接收到数据且没有校验错误,则返回确认标志(ACK 2),然后呼叫下一网络终端节点。

数据传输的流程图如图4所示。

3 实验测试与分析

在普通家居的环境下,对所设计的ZigBee实验网络进行了全面的测试,有关指标包括误码率、通讯距离、穿障能力等,测试结果比较令人满意,其中:

误码率测试结果如图5所示,在少于3堵普通的水泥墙的情况下,传输距离为80m以内时,传输数据的丢包率低于1%;对于3堵的水泥墙的情况,在30m内可以使误码率低于3%。由此说明ZigBee有一定的穿墙能力,能够满足在家居环境中的应用。对于4堵以上的水泥墙,30m内误码率就在20%以上。对于此种情况可以通过添加路由节点来解决。

在测试的环境中,同时存在着802.11无线局域网,工作频率为2.4GHz,在长时间的测试中未见明显的干扰和信息阻塞现象,说明ZigBee网络具有很强的共容性。

4 结束语

本研究提出并设计完成一种基于ZigBee的自动抄表无线通讯系统,分别从网络设计、节点设计、实验测试等方面对系统进行了阐述和分析。在实际测试中,ZigBee技术展现了近距离、低数据速率、低成本等特点,而自动抄表系统传输数据量小、功耗要求低,适用ZigBee通讯。ZigBee作为一种新型的通讯技术,必将在包括智能家居在内的许多通讯领域产生广泛而深刻的影响。

参考文献

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ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇3

关键词:智能家居;ZigBee;网络协调器

中图分类号:TP18文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 03-0008-02

ZigBee Technology of Wireless Smart Home System

Research and Design

Zeng Jieqiong,Kong Qingyan

(Technology of South China University,Mechanic and Automobile College,Guangzhou510640,China)

Abstract: The article on smart home system is studied and designed to compare a variety of implementation techniques proposed smart home using ZigBee technology system design, design on topology, hardware and software implementation of such agreement analyzed and discussed.

Keywords: Smart home; Zigbee; Network coordinator

近年来,中国政府提出要大力发展物联网,物联网将广泛用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、智能家居、老人护理、个人健康等多个领域。而ZigBee技术将是发展物联网的得力技术,其在智能家居方面也正在获得使用。ZigBee模块可安装在电视机、电灯、煤气炉、空调器、门禁系统、遥控器、微波炉和其它家电产品中,采集这些设备中的信息,并实现家居系统的照明、温/湿度、安全和电气智能控制。

一、ZigBee技术及其优势

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。目前,短距离无线通信协议有多种,其技术指标的对比如表1所示。可见,和其它技术相比,ZigBee有明显的优势,是实现智能家居系统的优秀选择。

二、基于ZigBee技术的智能家居系统设计方案

ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发,通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。ZigBee终端节点(ZigBee EndDevice,ZE)可以是FFD或者RFD,它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络,但不允许其他任何节点通过它加入网络,ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行[1]。

(一)智能家居系统拓扑结构

一般的智能家居系统拓扑结构图如图1所示,可以看出,系统大致由安防系统、家电控制系统、信息管理平台及远程终端等部分构成。图中每一种设备都嵌入了一个RFD类型的传感器,图中的路由器节点又可称之为汇聚节点[2]。

(二)ZigBee通信模块硬件设计

采用CC2430芯片是比较好的选择,它是最早推出实现了嵌入式ZigBee应用的片上系统,CC2430芯片作为本系统的ZigBee模块基础部分,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1转换器(ADC)、几个定时器(Timer),具有128KB可编程闪存和8KB的RAM、32kHz晶振的休眠模式定时器,以及21个可编程I/O引脚。CC2430从休眠模式转换到主动模式的时间超短,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430片上集成的温度传感器;无线灯控、空调开关、热水器都由单一的IO口P1.3控制,模拟开关动作;红外传感器采用热释放红外线传感技术,燃气报警采用催化式可燃气体传感器[2]。

(三)ZigBee模块软件设计

不同的节点对ZigBee协议的实现是不相同的,汇聚节点和终端节点因其完成的功能不太一样,其程序流程也不尽相同。对于汇聚节点,一旦节点开始正常工作,首先要进行芯片的初始化、输入输出端口的初始化、协议栈的初始化、启用中断等一系列初始化工作;作为网络协调器,汇聚节点要建立起一个新的无线网络,网络组建成功之后,节点开始进入无线监控状态,对空气中是否存在无线信号进行监控,如果所监听到的信号是终端节点要求加入到该网络的请求信号,则给发送请求信号的终端节点回复信息,然后将该终端节点加入所管辖的网络范围内,并分配相应的网络地址。如果所收到的信号是终端节点发送过来的监测数据,则在给终端节点发送数据的确认信号之后,就要对数据进行识别和处理,并在规定的时间之后将各终端节点监测发送过来的数据给传输出去[3]。

对于实现了部ZigBee协议的终端节点来说,节点上电后,首先要进行初始化,初始化所完成的工作类似与上面的汇聚节点,然后终端节点开始不断的发出请求信号,要求加入到某个汇聚节点所创建的网络,只要终端节点成功加入网络,就停止发送请求加入网络的报文,并得到一个汇聚节点分配给它的网络地址,之后节点就进入到了一种空闲状态。终端节点会定期地从空闲状态中醒来,对相关的环境信息进行监测,将其监测过程中所采集到的数据通过无线发射模块发送给与其相联的汇聚节点,如果收到汇聚节点发过来的确认信息,则表明数据发送成功,之后终端节点将再次进入空闲状态,在睡眠模式中等待,一直到再次被唤醒并进行下一次的数据采集。若数据发送不成功,节点会再次采集数据并发送给汇聚节点,直到发送成功为止[4]。

三、结束语

和其它短距离通信技术比较,ZigBee技术具有明显的优势,其近距离、低成本、低功耗、低速率等特点更加适合于家庭组网的特点。本文提出了一套用ZigBee技术实现智能家居系统的设计方案,其成功应用有望使Zigbee技术在智能家居方面得到极大发展。

参考文献:

[1]Zigbee Alliance.The ZigBee RF4CE Specification.

[2]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京航空航天大学出版社,2009,6

[3]黄磊,付菲闵,华松.基于ZigBee技术的智能家居方案研究[J].嵌入式网络技术应用,2009,25(52):71-73

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇4

配电自动化大规模无线公网通信运维技术研究与应用

随着配电自动化的全面建设，无线公网通信以投资少、运维简单等优点被广泛应用，但其容易长期、频繁掉线的缺点影响了其在配电自动化的应用。文章通过分析配电自动化无线公网通信过程和无线通信原理，提出五段式缺陷分析方法，通过在现场实践应用，解决了无线公网大规模应用中的不稳定问题，有效提升了配电自动化终端在线率，推动了配电自动化实用化应用。0引言随着社会经济的发展，客户对供电可靠性的要求越来越高，配电自动化作为配电网监测、控制、信息集成等的技术手段在配电网运维、调控及运营中得到越来越广泛的应用。配电通信网络是实现配电自动化和智能化电网的重要信息基础设施，受到配电网结构、环境和经济等条件的约束，要与配电网络特点、规模及业务发展相适应。按照通信范围的不同，配电通信网络可分为骨干网和接入网两层，根据国家电网公司企业标准Q/GDW382—2009《配电自动化技术导则》要求，骨干层通信网原则上应采用光纤传输网，在条件不具备的特殊情况下，也可采用其他通信方式作为补充；接入层通信网应因地制宜，可综合采用光纤专网、配电线载波、无线等多种方式。无线公网通信在数据流量较少、数据实时性要求不太高（秒级）的情况下，能满足配电网运行需求，其具有投资小、施工速度快、能快速建立通信等优点，近年在配电自动化试点建造中得到了广泛的应用。山东枣庄供电公司于2011年全面开展配电自动化建设，经过3年时间已实现城乡全覆盖，无线公网通信广泛应用于农村等C、D类供电区域，规模达到5600余点。面对无线公网通信技术的大规模应用，保证其正常通信已成为枣庄公司配电自动化系统正常运行的关键。本文在分析无线公网通信原理的基础上，针对其长期、频繁掉线等影响配电自动化应用的难题进行研究分析，提出了无线通信缺陷判定和处理方法。1配电自动化无线通信原理根据《电力二次系统安全防护总体方案》要求，配电自动化系统无线公网通信在配电终端、通信网络、配电主站系统、应用环境4个层次上进行安全防护设计，确保系统安全稳定运行，保证配电网数据的生成、存储、传输和使用过程的安全，以及配电自动化系统和配电终端操作的安全性。其中基于GPRS的配电自动化结构如图1所示。图1基于GPRS的配电自动化结构图1.1无线公网通信安全防护采用（GPRS/CDMA/TD-SCDMA等）公网方式通信，将致使配电自动化系统面临来自公网网络攻击的风险，影响电力系统对用户的安全可靠供电。因此为了保障电网安全稳定运行，需要建立安全防护体系。（1）应用无线公网自身提供的链路接入安全措施APN VPN或VPDN技术，实现无线虚拟专有通道，保证网络接入的安全防护。（2）在安全接入区部署的公网采集服务器中，采用经国家指定部门认证的安全加固操作系统，采用用户名/强口令措施，实现用户身份认证及账号管理。在安全接入区的边界处部署配电安全接入网关，采用国产商用密码算法实现通信链路的双向身份认证和数据加密，保证链路通信安全。（3）在安全接入区与生产控制大区之间部署电力专用横向单向安全隔离装置（部署正、反向隔离装置），保证数据传输安全。1.2终端无线通信过程（1）终端无线通信路径建立过程。在终端上电后，下载终端和无线模块参数，通过无线模块登录无线公网，发送心跳包与主站无线服务器进行通信连接，主站无线服务器收到无线模块发送的心跳报文，识别无线模块上线，并发送确认心跳报文给无线模块，无线模块收到主站无线服务器回复的心跳报文，建立无线通道，进行通信。当主站无线服务器判定无线模块在线时，前置服务器通过无线服务器向配电终端发送链路报文进行链路建立，前置服务器收到配电终端回复的确认链路报文后，完成配电终端与前置服务器的链路建立。当配电终端与前置服务器完成链路建立后，前置服务器向配电终端发送初始化报文、总召报文，配电终端回复确认报文及遥信遥测信息，主站与配电终端开始正常通信。（2）无线模块与无线服务器间的通信连接。1）无线模块与无线服务器间通过相互发送心跳报文确立两者是否正常在线，配电自动化无线模块与无线服务器间心跳报文的时间间隔设定为60s。2）无线模块每间隔60s发送一个心跳报文到无线服务器，若无线服务器收到心跳报文后应答无线模块，则无线服务器识别无线模块在线；如果无线模块60s内未收到无线服务器返回心跳报文，则间隔60s后继续发送心跳报文，若连续5次都未收到无线服务器的应答，无线模块判定网络异常，断开连接，并进行重新连接，继续向无线服务器发送心跳包。3）若无线模块连续20次都未收到无线服务器下行应答数据，无线模块自动进行断电重启，重新开始建立连接。

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇5

【中文摘要】本文对具有不确定性时延的网络进行建模分析,首先简述了网络控制系统典型结构及基本问题,分析了具有不确定性网络时延的组成与产生机理,及其对控制系统造成的影响。基于采样周期不同将具有不确定性的网络时延分为短时延网络和长时延网络系统,通过对线性时不变广义被控对象进行离散化,建立两种时延下的离散模型。最后对具有不确定性网络时延和丢包的网络稳定性的进行了理论研究和建模,通过鲁棒控制和最优控制方法分别设计了控制律,使得具有不确定性时延的网络控制系统具有良好的稳定性。

【英文摘要】To model the uncertainty delay of the networked control systems in this paper, the author sets forth the typical structure and basic problems of network control system.The element and the causes of the uncertainty network delay is analyzed and its effects is estimated.Based on the sample period, the network time delay could be divided into two parts: the short delay network and the long time delay network system.For constant linear object, the discrete model under two kinds of delay is created.Finally the author deeply researches the stability of uncertainty delay network and packet loss in the network.Through the robust control and optimal control method，the control rule is designed respectively.The experiment result shows that network control system with uncertainty delay has a good stability.【关键词】网络控制系统 不确定性时延 建模 稳定性 【英文关键词】Network control system Uncertainty delay Modeling Stability 【目录】不确定性时延网络控制系统的分析与建模研究5-6Abstract6

第1章 绪论9-15

摘要

1.1 问题研究的背景及意义9-1010-12

1.2 网络控制系统发展及基本问题

10-11

1.2.2 网络1.2.1 网络控制系统的发展控制系统中的基本问题11-1212-14

1.3 国内外研究现状

第2章 具有不确定性

2.1 网1.4 本文主要工作14-15网络时延的网络控制系统分析和建模理论基础15-24络控制系统时延的产生与解决措施15-20统时延的组成15-1818-20

2.1.1 网络控制系

2.1.2 网络控制系统时延的解决方案

2.3 2.2 Lyapunov 意义下的稳定性定义20-21不确定性网络时延概念与分类21-24延的概念21-22

2.3.1 不确定性网络时

2.3.2 不确定性网络时延分类22-24

3.1 具第3章 短时延特性的网络控制系统建模与分析24-34有短时延特性的网络控制系统的建模理论24-29短时延控制器采用时间驱动的模型24-26控制器采用事件驱动的模型26-29

3.1.1 基于

3.1.2 基于短时延

3.2 短时延不确定性网络

控制系统建模分析解与整定30-34析34-4334-3834-3636-3838-41

29-303.3 基于短时延网络控制系统的求

第4章 长时延特性的网络控制系统建模与分4.1 具有长时延特性的网络控制系统建模理论4.1.1 基于长时延控制器采用时间驱动的模型4.1.2 基于长时延控制器采用事件驱动的模型4.2 长时延不确定网络控制系统建模与设计4.2.1 问题重现和模型建立

38-40

4.2.2 长时延网络控制器的设计与求解40-4141-4343-4943-4444-45结果47-4950-5353-5456-65

4.3 仿真结果第5章 不确定性时延网络控制系统稳定性分析5.1 具有丢包和时延的网络控制系统建模基础5.2 基于丢包和时延网络控制系统分析与建模5.3 网络控制系统指数稳定性45-47

第6章 结论与展望49-50

5.4 仿真参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果致谢

54-55

作者简介

55-56

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇6

基于图像处理技术的菌落自动计数系统的研究

针对现行培养菌类试验中的菌落计数是采用人工方式完成,在试验样品量较大时,很难快速准确的得到结果的问题,研究开发了一套菌落计数系统.该系统根据RGB色度学原理,利用图像处理技术,可以对培养皿里的白色菌落的`数量进行自动检测.在对菌落的色度值分布进行试验研究的基础上,确定了获取分割图像最佳阈值的方法.实验证明此方法不仅计数结果准确,重现性好,而且速度快,计数结果不受菌落接种方法、菌落形态、大小的影响,是实现菌落计数的一种行之有效的方法.

作 者：王国新 张长利 房俊龙 沈维政 WANG Guo-xin ZHANG Chang-li FANG Jun-long SHEN Wei-zheng 作者单位：东北农业大学工程学院,哈尔滨,150030刊 名：中国乳品工业 ISTIC PKU英文刊名：CHINA DAIRY INDUSTRY年，卷(期)：34(2)分类号：Q939-64关键词：菌落计数 图像处理 最佳阈值 自动检测

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇7

1、无线自适应火警监测系统总体设计

1.1 系统工作原理

如图1所示,ZigBee节点、协调器、路由器以边缘为星型的网状拓扑方式连接,当网络覆盖范围内某处物理位置发生火警时,其附近传感器节点监测到火警并将其通过ZigBee Wireless Sensor Network网络传播出去,经过网关送到手持设备或PC机软件显示火灾位置;进入火灾现场的消防人员随身携带移动节点,它通过向其周围固定安装的位置已知的节点发送测量命令消息,接收到消息的节点通过其中所包含的已知信息为位置未知的移动节点估算出所在位置,网络协调器可将网络内信息传送到PC中,从而可了解网络节点工作情况以及移动节点的位置。

1.2 系统工作特点

该系统从节点的层面上看,各智能型节点具备休眠、唤醒、联动、定位、自检等功能,且具备节能特点,平时处于休眠状态,对任一节点附近出现的火灾能迅速反应并唤醒系统中的其它所有节点,使处在监测区域内的各处都能获得事故发生点的信息,为及时处理火灾事故赢得时间;从系统的层面上看,这样的系统能适应各种复杂的环境场合,无线通信的方式可适应各种应用场合的快速布点和扩充;具备自组织和自愈合的功能,系统中个别节点“失效”也不致影响系统的整体功能,有很高的可靠性,该系统还可很容易扩展到其它的用途。

2、火警监测系统功能说明

如图2所示ZigBee网络主要由4个部分组成,各部分相互协调完成组网路由工作。

(1)PC机:完成接收网关数据和发送指令,实现人机交互;

(2)网关:完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据,并将接收到的数据发送给计算机;

(3)路由节点:在网关不能和所有的传感器节点通信时,路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信,实现路由通信功能;

(4)目标节点:完成对设备的控制和数据的采集,包括温度、火焰、烟尘、气体等。

3、监测系统硬件设计

ZigBee是一种短距离、低功耗无线通信技术,其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本,为实现ZigBee协议对硬件的基本要求是需要8位处理器,如80C51;软件需要32kB的ROM,最小软件需要4kB的ROM;网络主节点需要更多的RAM以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。

3.1 监测系统子节点的设计

如图3所示,本系统的每个节点均设计传感检测器由烟雾、火焰、温度和气体多传感融合而成,以弥补单纯使用一种传感器所存在的不足,提高监测火灾能力,降低误警率。

3.2 监测系统网关节点的设计

如图4所示,网关节点能够独立显示事故地点并存储,为后继事故调查留有数据,是火警监测系统设计中的一个新型功能。

3.3 网络节点处理器和射频芯片的选择

根据国内无线频谱管理相关规定,基于ZigBee标准的产品只能选择2.4GHz频段的器件,本系统根据需求采用遵从IEEE 802.15.4协议的片上系统(SoC)CC2530作为处理器和无线收发设备,它能够以非常低成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,兼容IEEE 802.15.4无线收发器,RF内核控制模拟无线模块标准的增强8051CPU,系统内可编程闪存,8-KB RAM和许多其他强大的功能。同时CC2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统,运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

3.4 网络节点传感器的选择

传感器信息的采集,其实就是处理传感器和微控制器的接口。传感器将采集来的模拟量转换成数字量,送进微控制器;微控制器根据所得数据进行相应处理。

本系统温湿度传感器选择DHT21,火焰传感器选择R2868,烟雾传感器选择MQ-2,气体传感器选择MQ-7,四种传感器各自向处理器发送数据,处理器融合四路信息作出决策,实现多传感融合,提高系统精度。

4、火警监测系统的实现

4.1 定位算法设计

CC2530带有RSSI的数字输出,通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离,进而根据相应数据进行定位。本系统根据发射点和接收点之间信号强度做出定位,距离与信号功率的对应关系如下面公式,

其中tP和rP分别是自由空间中发射功率和接收功率;d为通信距离;c为自由空间中的光速(3×108m/s);f为无线载波频率;Gt和Gr分别是从发射器到接收器方向上的发射天线增益和接收天线增益。通过采集子父节点、路由节点和终端节点之间的接受信号强弱,随系统路由深度做出算法调整,能够很好的完成信息采集与节点定位。

4.2 系统PC机组网演示

如图所示,系统利用IEEE802.15.4组网进行数据包收发,信息汇集在网络协调器,协调器通过RS-232串口或以太网口可与监控主机进行通信,从而可在PC上更直观和方便地了解网络节点工作情况以及消防人员的位置。

5、结语

ZigBee技术以其近距离通信的优越性在WSN领域异军突起,应用日趋广泛。本系统将ZigBee技术与传感检测技术相结合,设计了可对火警进行实时监控并自动追踪消防人员位置的多功能无线自适应火警监测系统,该设计方案已初步应用于实践,但系统的稳定性和鲁棒性需增强,后期将会在定位算法和处理器上做出新的尝试,希望为复杂环境的火警监测提出更加实用、高效的解决办法。

摘要：针对以往有线火灾监测系统布线工程量大,监测信息延时长,系统设计安装完成后扩充不便等问题,本文将传感检测技术和无线ZigBee网络技术相结合,研制出一个节点具备智能化,系统具备自组网、自愈合功能的无线自适应火警监测系统,为复杂环境的火警监测提供了解决方案。

关键词：ZigBee技术,多传感融合,自组网,自定位

参考文献

[1]李文仲,段朝玉等.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.4.

[2]金纯,罗祖秋,罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社,2008.1.

[3]孙培仁,孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2007.11;

ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文 篇8

关键词：ZigBee；无线传感器；设计；实现

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2100-02

当前，无线传感器网络（WSN）在工业、军事以及学术研究等各个领域都受到了越来越多的关注，其研究成果具有很好的应用价值。将各种类型的具备计算功能和通讯能力的微型传感设备合理地布置在需要进行数据信息监测的区域内，并使这些传感设备能够依据环境的变化情况自动地执行指定的命令，这种能够进行自动控制的网络系统被称为无线传感器网络。由于ZipBee技术具有成本低、功耗小以及短距离等特点，使其在无线传感器网络技术中脱颖而出，成为了无线网络通讯应用技术中的佼佼者，得到了较好的推广运用。

1 ZigBee技术的概述

ZipBee是双向的无线通讯技术的一种，它具有短距离、小功耗、低复杂度以及高稳定性的特点。目前，该技术主要是被用在系统的远程控制以及自动化控制等科技前沿领域，较为常用的工作频段有三种，在不同的工作频段上其传输速率存在一定的差异，通常它的有效传送距离是10m到75m，根据需要还可以对传送距离进行增大。

ZipBee这种成熟的无线电通讯技术所具有的特点包括安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低。在ZipBee技术中对其数据包采用循环冗余校验技术来检测其完整性，同时还能够支持认证，通过运用AES—128加密算法等来保证系统的安全性。为加强稳定性系统运用碰撞避免策略，并通过建立专用的通讯通道保证特殊数据传输的稳定性，防止数据在传输过程中产生冲突，影响重要数据的传输。在MAC层进行数据传输模式的定义时运用的是完全确认技术，即发送出去的所有数据包信息都需要由数据接收方进行信息的确认。一旦在数据传输中发生故障，都会进行数据重新发送，保证数据的稳定传输。ZipBee网络具有较大的容量，将ZipBee网络设计成星型结构时，可实现最多25台的从属设备与1台主控设备的连接，可以将100个ZipBee网络接入一个区域，实现较为灵活的网络组建形式。较为低廉的成本也是ZipBee网络的显著特点，其模块的成本大约在20元，而ZipBee的网络协议也是不需要缴纳专利费用的，这也大大降低了其成本，从一定意义上讲，较低的成本费用是ZipBee网络技术能够广泛应用的重要原因。ZipBee网络的通讯时延较短，从休眠转换为激活状态也只需15ms的时间。工作中的设备接入信道的时延也仅为15ms，ZipBee网络通讯技术能够很好地满足那些对时延控制要求较高的无线控制应用。在设备功耗方面，因为ZipBee的传输速率相对较低，其数据发生功率只有1mw，同时在设计时还添加了设备的休眠模式，进一步降低了功耗，保证了ZipBee设备的节能省电，在使用过程中，只需要给设备装配两节5号电池就能保证6-24个月的稳定供电，避免经常更换电池带来的麻烦。

2 ZipBee的硬件及网络

ZipBee中包含两种类型的硬件设备，一种是精简功能型设备（RFD），另一种是全功能型设备（FFD）。与全功能型设备相比较精简功能型设备只具有一部分的功能，在全功能型设备之间以及全功能型设备与精简功能型设备之间可以相互通讯，但精简功能型设备之间则无法进行通讯。在ZipBee的技术标准中根据设备的不同功能和作用分别确定了三种不同类型的逻辑设备，它们分别是ZipBee协调器、ZipBee路由器以及ZipBee终端设备。在一般情况下，ZipBee协调器和路由器是由全功能型设备配置而成，而ZipBee终端设备大多数情况下是由精简功能型设备配置得到。在系统中建立与维护网络的任务由ZipBee协调器完成，一个网络中有且只有一个协调器，在ZipBee系统中充当中继节点角色的是路由器，它可以完成路径的优选及数据的转发工作，而处于系统末端的ZipBee终端设备其功能则相对单一，通常进行一些较为简单的数据发送与接收工作。

在实际运用中，根据工作的需要可以对ZipBee网络进行灵活的布置，例如可以构建成星型的网络结构亦可以构建成点对点式的网络结构。在星型布置的网络结构中，系统的全部设备都和PAN网路协调器中心设备进行通讯。采用这种类型的网络结构时，要对协调器采取持续的电力供应，系统的其他设备可以以电池来进行供电。相比于星型的网络结构，点对点式的网络结构只要保证设备相互间能够正常地接收无线信号即可，系统内的任意两个设备间都能够实现通讯，在点对点式的网络结构中同样要由协调器来对网络系统的信息进行综合处理，对系统设备进行认证等。

3 ZipBee无线传感器网络系统设计

在进行ZipBee无线传感器网络系统设计时需从硬件和软件两个方面来进行考虑。硬件设备为软件系统建立运用平台，而通过软件系统来指挥硬件执行相应的命令，二者协同工作发挥作用。

无线模块硬件系统主要是微处理器芯片与射频芯片等构建起来的，微处理器的类型较多，可以根据具体的应用来选择，如RISC处理器、ARM处理器等。对于一些较为小型的应用，采用LPC2106微处理器具有较大的优势，因为其功耗和尺寸都较小。以UART和SPI与SSP、I2C建立系统的通讯接口让其能够和SRAM共同发挥作用，从而让LPC2106微处理器更好地实现通讯网关与协议转换器和它本身所具有的强大的信息处理能力。射频芯片运用较多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司开发的芯片是采用的完全集成压控震荡技术，它的优点在于只要有无线发射天线、16MHz晶体这些最基本的电路系统就可以保证其在相应频段上稳定地工作。在CC2420射频芯片上预留了SPI接口来和微处理器进行连接，这个接口既用于系统设置，同时还用来传输信息数据。

在完成了硬件系统的建设后，需要在ZipBee无线传感器网络设备上配置适应的软件系统。它的软件系统包括嵌入式的操作系统、ZipBee协议栈以及其他的一些相关应用程序等。嵌人式操作系统内核能够对任务进行高效的调动、队列管理以及中断处理等操作，它还附带了硬件设备的全部驱动程序。相关的应用程序包括射频通信程序、串口通信程序以及信号质量监测程序等，在进行设计时通常采用模块化设计，这样做的好处是使程序系统的层次分明，具有良好的扩展性，同时对ZipBee技术进行二次开发也是有利的。程序设计时大致可以划分为三个部分包括协议栈、调度以及公共模块部分。协议栈模块的设计与ZipBee协议栈的结构分层相匹配，调度模块的主要作用是对不同的任务调用相应的协议栈模块，程序中设置的存储模块及计时模块能够给所有的协议栈模块释放公共的操作空间。另外也建立了共享的缓冲区域，它主要起到方便存储协议栈模块与调度模块进行数据信息交换的作用。

4 调试与测试工作

在完成了系统的建设后，要进行调试和测试工作以便检验设计的合理性，确保系统能够达到预期的效果，才能真正保证系统建设目标的实现。需要进行调试和测试的内容主要包括系统组网测试、网络通信速率测试、网络通信延迟测试以及通信距离的测试等。通过这些测试和调试来对系统的网络延迟、覆盖范围以及安全性等进行检测和修订，保证系统在投入使用后能够稳定地工作。

5 结束语

本文对ZipBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了分析研究，旨在寻找技术优良同时经济合理的无线传感器网络系统，ZipBee技术具有安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低等特点非常适合应用开发，随着技术的不断进步，在科技创新的浪潮中ZipBee技术必将取得更多的成就，更好地服务于无线传感器网络系统的建设。

参考文献：

[1] 钟艮林.ZipBee无线传感器网络的设计与实现[J].IT论坛，2009（31）：71.

[2] 于洪波.基于ZipBee的无线传感器网络节点的设计与实现[J].计算机光盘软件与应用，2012（16）：220-222.