基于ZIGBEE無線傳輸技術的液位采集系統
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摘 要：有線數據采集一直是我們的傳統業務，但在一些采集點分散，布線困難的場合，有線的方式就相形見拙了，無線傳輸技術在數據采集上的應用彌補了這一短板。
關鍵詞：ZIGBEE；現場儀表；無線傳輸；數據采集
1 ZIGBEE簡介
ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。
2 應用背景
于橋水庫兩千米的大壩上分布安裝有九個液位變送器，用來測量大壩內液位的高度，以此來保證大壩的安全，現場為蓄電池供電，每次查看液位工作人員需要從兩公里外辦公室沿大壩逐個查看抄取數據，然后為了節省電力再將電源關閉，回到辦公室再將現場所抄數據手工錄入電腦表格中，耗時費力?；诖饲闆r開發設計了針對于現場情況的無線采集系統。供電采用太陽能和蓄電池供電，大壩上不允許敷設電纜，大壩上信號傳輸業主要求為無線傳輸方式，完成數據監控和報表的功能。本方案基于ZIGBEE無線傳輸技術完成各采集點的液位采集。
3 架構設計
針對現場地理位置情況，第一個采集點至最后一個采集點的距離大約為1000米，且在中間采集點附近有一視頻監控室有光纜資源連接通往辦公室。比較了幾種無線傳輸技術，最終選擇了ZIGBEE傳輸技術，大壩上空間開闊，各采集點之間無阻礙，ZIGBEE在這種情況下理論上可以傳輸一千米，且功耗最低。采集接收站可以設置在監控室，再通過光纜傳輸到辦公室。
4 現場采集站
4.1 電流信號采集轉換
現場液位變送器輸出的是標準的4-20mA電流信號，采用模擬量采集模塊，將液位變送器的標準電流信號轉換為標準的485信號，以便進行下一步數據處理。此模塊為單通道的隔離變送器。一路輸入，一路通信輸出。該隔離變送器采用獨立的直流電源供電方式，供電電源--輸入--輸出之間隔離。隔離傳輸，485通信，標準MODBUS-RTU協議。單通道，一入一出。輸入--輸出--電源之間隔離。帶有工作電源指示燈。數碼管顯示隔離器地址。標準的35mmDIN導軌卡式安裝。還有一點最主要的是其功耗很低，大約1W左右。
4.2 485信號的無線傳輸轉換
現在電流信號已經轉換成485信號了，九個采集站都分配了采集地址，已經為無線傳輸做好了準備，這時無線傳輸的核心設備出場了，ZIGBEE模塊將485信號轉換為無線方式發射，此模塊進行設置后可自動組網，具有自動路由功能，假設從A到B，由于通訊距離遠而不能通訊，則只需要在A、B之間增加一個模塊，則該模塊可以自動為A、B提供路由，或者中繼傳遞數據，同時具有自動路由修復功能，如果路由路徑破壞（如某個模塊斷電），網絡能自動尋找新的路由路徑，達到自動修復路由路徑的目的。接收站采用設置為主站的ZIGBEE模塊，將現場傳來的九個數據轉換為485信號，運用光電轉換技術對信號進行處理，通過光纜傳輸到辦公室的電腦。參數如下：
串口格式：8-N-1（默認），可設置為：8-Odd-1（奇效驗），8-Even-1（偶校驗）；串口速率38400bps（默認），可設置2400bps，4800bps，9600bps，19200bps，38400bps，57600bps，115200bps；無線頻率：2.4G，用戶可通過串口指令更改頻道（2405MHz-2480MHz，步長：5MHz）11-26頻道；傳輸距離：可視，開闊，傳輸距離1600米。功耗大約為3W左右。
5 數據采集工作站
數據采集工作站是最終集中顯示現場儀表數據的地方，它由硬件和軟件兩部分組成。硬件選擇一般的工作用電腦即可。軟件就是開發的數采軟件，這里采用了組態王軟件來實現這一功能。首先來自現場的485信號通過485/232轉換器連接到電腦的串口。在軟件中要定義接口，設置通訊，通訊協議為485MODBUS RTU，傳輸速率為9600bps，婁據位8位，停止位1，無校驗。通訊格式與現場的模塊量采集模塊保持一致。建立九個變量代表現場九個液位變送器，這里要注意的是傳上來的數據為數字信號要進行換算來還原現場原始值，這是由于模數轉換的原因：組態畫面，顯示現場九個采集點的實時液位情況并以動畫形式呈現，整個大壩的液位情況一目了然；組態歷史曲線，用戶根據需要可以進行任意時間段的歷史數據查詢，軟件會自動生成曲線；組態高限報警功能滿足用戶的使用，用戶可自行設置報警上限值，液位報警會顯示在畫面上；組態報表功能，數據按用戶需求自動生成，例如用戶可以輸入查詢的區間段和采集頻率，那么這一區間的數據都一一列出來了。這里就不做具體介紹了。
6 系統功能
?、僖何粩祿崟r顯示，可根據用戶的要求設置高限報警；②歷史數據查詢，曲線自動繪制，為監控和分析提供依據。
7 系統優勢
?、俨捎肸IGBEE技術的無線網絡功耗低、傳輸距離遠、不產生通信費用，解決了地域分布問題和布線施工；②系統擴展性強，在有效距離內對于新增加站點能及時入網上傳數據，組網靈活方便；③成本低，設備費用低廉，施工簡單方便。
作者簡介：
王雷（1984- ），男，漢族，籍貫：遼寧省阜新市人，學士學位，儀表工程師，從事工業自動化儀表。
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