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基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统

作者：刘玉超

来源：《电子技术与软件工程》2017年第10期

随着网络技术的飞速发展，基于ZigBee无线网络技术因具有自我修复、易维护、成本低等特点，被广泛应用在信息传输领域，尤其在SCS系统中的应用，可明显提高系统性能。本文从硬件及软件两方面对基于ZigBee无线网络技术自动化控制系统进行探讨，为自动化控制系统功能的顺利实现提供参考。

【关键词】ZigBee无线网络技术 自动化控制 系统 研究

Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于短距离、低功耗且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据、和低反应时间数据传输的作用。在工业控制、智能农业、医疗护理、家庭自动化和远程控制等领域有着充分的应用和广阔的前景。

基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统无论硬件还是软件涉及很多模块，其中发射模块与接收模块是整个系统的重要组成部分，注重对其进行研究，对更好的实现ZigBee无线网络技术自动化控制具有重要意义。

1 基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统硬件研究 1.1 发射模块硬件

系统发射模块负责将传感器传输的4～20mA标准电流信号转化成电磁波，而后进行发射。发射模块包括I/V变换电路、零点迁移电路、单片机等，其中I/V变换电路用于实现将4～20mA电流信号向1～5V标准电流信号的转变；零点迁移电路对1～5V标准电流信号进行零点迁移处理，形成0～4V的电压，以防止A/D转换器资源的浪费；单片机一方面借助I/O对传感器的测量数据进行读取，另一方面，借助SPI接口和下位机射频芯片进行通讯。 本文探讨的I/V为无源I/V变换，功能主要借助无源器件电阻实现，同时，进行输出限幅及滤波处理等。当输入信号电流为0～10mA范围时，通过调节电路中精密电阻阻值，实现对输出电压的调节。同样道理将4～20mA输入电流信号转换成1～5V输出。零点迁移电路目的在于实现测量信号的零点调整，电路图如图1所示。

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单片机拥有很多系统功能，不仅使得其工作性能得以明显提高，而且减少元件应用数目，节约系统及电路面积成本。如增强型UART具备自动地址检测、帧错误检测、间隔检测等多种功能；选择片拥有的高精度RC振荡器并不需要外接振荡器，而且可灵活调节工作频率。 1.2 接收模块硬件

基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统的接收模块，由V/I转换电路、D/A转换器、单片机及射频芯片构成。其中V/I转化器是电路的重要元件，以AD694转换器为例，电压输入范围有0～2V、0～10V之分，输出电流范围包括4～20mA、0～20mA，输出程控电流时可与电流输出型D/A转换器配合使用，兼具超限报警、开路功能。另外，受输入、输出范围影响具备的引脚接线有所区别；D/A转换器和单片机的SPI接口相连，如TLV5617转换器与单片机的SCK、MOSI相连。另外，为获得较好的电磁兼容性能，应特别注意绘制良好的PCB，尤其应注重以下内容：首先，在参考印制线路板电流大小影响的基础上，为减小环路电阻，应将电源线宽度适当加粗，并保证地线、电源线走向和数据传输方向相同，以提高其抗噪性能。其次，各集成电路芯片电源输入脚增加适当大小的滤波电容，并和芯片管脚相靠近。最后，考虑到晶振是高频器件，其他信号线应与其保持足够距离。另外，为减小寄生耦合需相互斜交、垂直焊接面与元件面。

2 基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统软件研究

基于ZigBee无线网络技术的自动化控制系统各项功能的实现，除需硬件支撑外，还需有完善的软件系统支持。 2.1 发射模块软件

发射模块的软件程序包括初始化程序、寄存器配置程序、发射端程序等。其中初始化程序包括单片机I/O口的配置、SPI寄存器初始化、看门狗的关闭等。单片机I/O口模式有配置寄存器决定，除三个特殊的I/O管脚，以管脚为单位，可使用软件对其他管脚的输出类型进行配置。输出类型包括仅为输入、开漏输出、推挽、准双向口四种类型；SPI寄存器包括主模式、从模式两种模式，具有写冲突、传输完成标志保护功能。以LPC935SPI为例，其包括SS、MISO、MOSI、SPICLK四个管脚，以及SPDAT数据寄存器、SPSTAT状态寄存器、SPCTL控制寄存器，配置代码为：MOV SPCTL，#0DCH；看门狗定时器借助系统可通过上电复位，实现其从错误代码操作中的恢复：配置代码为： MOV A，WDCON CLR ACC.2 MOV WDCON，A

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射频芯片借助SPI兼容接口进行配置，该接口具备读与写缓存数据功能的双重功能。SPI接口对数据与地址进行转换时，CSn脚应处于低电平状态，否则取消转换。当CSn变低时，头字节开始转换前，MCU需等待至SO脚变低，即，电压调节器已处于稳定状态，晶体处于正常运作中。当对寄存器进行写操作时，每当待写入的数据字节传输到SI脚时，状态字节会被传送至SO脚。另外，为提高连续地质寄存器的访问效率，应注重在地址头部设置突发位。不过，不管是读访问还是写访问，其终止均应沟通过设置CSn为高实现。寄存器由命令滤波、状态寄存器、配置寄存器之分，但对寄存器进行配置时应先将射频芯片开启。以CC1100为例，部分开启程序为：

POWER_UP_RESET_CC1100： SETB P2.4 CLR P2.4 SETB P2.4 MOV R1，#05H ...

RESET_CC1100：CLR P2.4 MOV SPDAT，#030H SETB P2.4 RET

无线发射模块电能有电池提供，为实现其使用寿命的进一步延长，应使系统工作时间尽可能减少，即，非工作时应处于睡眠状态。同时，考虑到自动控制系统参数变化不够迅速，可考虑定间隔进行数据测量。发射端主程序流程如图2所示。 2.2 接收模块软件

射频芯片具备可选的在特定可控时间之后，实现接受自动终止功能，即射频芯片并非总是处于接收模式等待数据，而是从休眠状态周期性激活，实现对数据信号的侦测。如LPC935休眠时被射频芯片激活。当射频芯片成功对数据包同步词汇进行侦测时，便将外部中断信号发送给LPC935。LPC935对中断信号做出相应后，对Receive（）函数加以调用，当数据被被接收，地址无误后，将应答包发射给发射端，表明已经成功接收到数据。当接收端完成数据接收任务后，并进行休眠状态，直到下次数据信号到来才被激活。