随着工业控制的发展, 工业自动化已经渗透到工业控制的各个角落, 同时在控制过程中, 对实时获取节点数据, 以及节点数据接口的开放性、标准性, 数据传输过程的安全性等要求进一步提高, 控制节点的有线控制网络的局限性也就越来越突出了。随着无线技术进一步为公众所接收, 其应用的范围也在日益扩大, 尤其在工业过程控制领域, 由于无线技术的应用, 解决了有线技术由于投资成本及环境限制未能实现的功能, 提升了过程控制精度, 为工厂管理带来极大的方便。ZigBee是在2004年12月, 由ZigBee联盟在IEEE802.15.4低速无线网协议基础上提出的。该标准下的短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网灵活、电池寿命长等优点, 在工业控制领域中有着深厚的发展潜力。CAN (Controller Area Network) 总线是ISO国际标准化的串行通信协议, 其高性能和可靠性已被认同, 并在工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面广泛应用。
ZigBee标准包括IEEE 802.15.4协议制定的物理层 (PHY) 和介质访问层 (MAC) 标准, 以及在这之上由ZigBee联盟制定的网络层和部分应用层标准, 它的技术特点主要包括:低功耗:在低耗电待机模式下, 两节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月, 甚至更长。这是ZigBee的突出优势。而蓝牙可以工作数周、WIFI可以工作数小时;低成本:通过大幅简化协议 (不到蓝牙的1/10) , 降低了对通信控制器的要求, 按预测分析, 以8051的8位微控制器测算, 全功能的主节点需要32KB代码, 子功能节点少至4KB代码, 而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元;低速率:ZigBee工作在20kbps～250kbps的较低速率, 分别提供250kbps (2.4GHz) 、40kbps (915MHz) 和20kbps (868MHz) 的原始数据吞吐率, 满足低速率传输数据的应用需求;近距离:传输范围即相邻节点间的距离, 一般介于10m～100m之间。如果通过路由和节点间通信的接力, 传输距离将可以更远。
在工业控制中, 设备之间的数据传输要求高可靠性, 以及工业运用的实时性也要求数据传输的实时性, 同时, 在运用中也尽量要求设备组网能更加智能, 更加灵活, 以降低工业运用成本。
传输可靠性:ZigBee协议符合七层网络结构, 在IEEE802.15.4定义的物理层和子层协议规范基础上, 继续定义了网络层和应用层, 在应用层中规范了应用支持子层和设备对象。此外还有类似空闲信道评估 (CC A) 、链路质量指示 (LQI) 等技术保证了数据传输的可靠性。
实时性和组网灵活性:ZigBee的响应速度较快, 一般从睡眠转入工作状态只需15ms, 节点连接进入网络只需30ms, 进一步节省了电能。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构, 由一个主节点管理若干子节点, 最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理, 最多可组成65000个节点的大网。
CA N总线协议是以国际标准组织的OSI开放系统的7层模型为参考的, 并在该标准基础上改为模型结构仅为3层, 即只保留了OSI的物理层、数据链路层和应用层, 这保证了节点之间数据传输的低差错。
C AN总线是两线结构, 即为差分形式的物理结构。也就是说, CAN总线上使用“显性” (逻辑0) 和“隐性” (逻辑1) 两个互补值来表达逻辑。高速CAN总线最快数据传输速率能达1Mbps, 此时有效通讯距离为40m, 当速率降为5kbps时, 有效通讯距离能达10km。
CA N总线协议支持多主机的工作方式, 即任意节点可以在任何情况下主动向网络上的其他节点发送信息, 这种方式将在工业控制中发挥巨大的灵活性, 在协议层面上支持了控制现场的实时响应能力。此外, CAN总线协议也有着良好的仲裁机制, 该机制保证了既不损失报文又不损失时间。
在现代工业控制领域, 对现场无线化的需求也进一步加大, 所以使用CAN总线技术和ZigBee技术的结合, 运用到一定范围内的工业控制现场, 是一个很好的方式。
网关主要由CAN收发器、CAN控制器、ZigBee模块以及负责协议转换的控制器组成。CAN收发器和CAN控制器分别采用TJA1050T和MCP2515等芯片, 可以满足大部分现场要求。ZigBee控制芯片采用德州仪器 (TI) 的CC2430, 该芯片结合了一个高性能的2.4GHz直接序列扩频 (DSSS) 射频收发器核心和一个高效的8051控制器, 在保证有效运用的基础上可以很好的实现低成本和低功耗。由于CAN总线与ZigBee通讯的传输速率和传输方式不尽相同, 所以为保证两者之间的数据传输的同步性, 也为保障系统的稳定性, 一般使用譬如高速SPI等高速协议作为转换控制器。
在实际工业现场对ZigBee和CAN总线技术的搭配运用中, 体现了很好的灵活性, 也大大降低了工业控制现场的管理成本, 同时也提升了控制的效能。同时也可以看到, 在该方法的基础上, 为了能适应更多的控制场合, 可以在总线技术上作灵活替换, 以得到实现成本与控制效能的最佳结合点。
摘要：ZigBee是一种低功耗、低成本、高可靠性的短距离低速率无线网络协议。CAN总线是嵌入式工控领域的标准总线。在对数据传输安全性、设备组网灵活性、以及传输网络共存性等性能要求苛刻的现代工业控制领域, 采用CAN总线作为系统总线, 节点与终端之间应用ZigBee技术的方式有着深厚的发展潜力和运用前景。
关键词：ZigBee,CAN,工业控制,现场总线
[1] 王秀梅, 刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件, 2005, 12 (3) :59～62.
[2] 陈一天, 余爱民.802.11b无线局域网抵御辐射干扰能力的分析[J].计算机工程与设计, 2005, 26 (6) :1444～1446.
[3] 王锐华, 益晓新, 于全.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析[J].测控技术, 2005, 24 (6) :50～56.
