基于FPGA和ZigBee的無線設(shè)備點(diǎn)檢系統(tǒng)

支彥華

(黃岡大別山發(fā)電有限責(zé)任公司，湖北 麻城 438300)

1 引言

設(shè)備點(diǎn)檢是指全過程對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控、維護(hù)、保障的技術(shù)手段。設(shè)備點(diǎn)檢技術(shù)及其相應(yīng)的制度和技能在20世紀(jì)80年代從工業(yè)先進(jìn)國家引入我國，為探索適應(yīng)我國工業(yè)企業(yè)的設(shè)備管理發(fā)展提供了一種有效的方法。點(diǎn)檢定修是一種預(yù)防性檢修手段。盡管目前點(diǎn)檢工作還多是作為設(shè)備定期檢修、狀態(tài)檢修的補(bǔ)充，但點(diǎn)檢在發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷、預(yù)防功能故障發(fā)生方面的重要作用已得到充分展示。隨著點(diǎn)檢技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)的提高，點(diǎn)檢對設(shè)備定期檢修、狀態(tài)檢修決策的影響將越來越大，而對于一些設(shè)備，點(diǎn)檢定修將成為其唯一的檢修方式。

隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生產(chǎn)的多樣化發(fā)展，離線設(shè)備點(diǎn)檢方式表現(xiàn)出了一些不足［1］:

(1)專門點(diǎn)檢員要對現(xiàn)場幾十個(gè)甚至幾百個(gè)指定點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)檢，工作效率低，勞動強(qiáng)度大;

(2)人為測量準(zhǔn)確性不高，容易產(chǎn)生漏點(diǎn)、誤點(diǎn)、估點(diǎn)等人為錯(cuò)誤;

(3)實(shí)時(shí)性差，1個(gè)點(diǎn)檢周期對設(shè)備點(diǎn)檢1次，只能代表設(shè)備某個(gè)時(shí)刻的測量值，而且設(shè)備在啟動、運(yùn)行和停止階段的參數(shù)數(shù)據(jù)有很大差距，所以這種點(diǎn)檢方法不能很好地說明設(shè)備實(shí)際情況;

(4)安全性差，像工礦企業(yè)的礦井設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、洗選設(shè)備等，點(diǎn)檢員要靠近設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)檢，設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨時(shí)都會對點(diǎn)檢人員造成危害，所以點(diǎn)檢工作存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，其傳輸速率和穩(wěn)定性不斷提高，自動控制領(lǐng)域中的無線技術(shù)應(yīng)用逐漸增多［2－3］。基于無線通信的設(shè)備點(diǎn)檢系統(tǒng)正是無線通信在自動控制方面的一個(gè)典型應(yīng)用。它采用的無線局域網(wǎng)方案能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)的人工點(diǎn)檢提供一種高效、可靠和經(jīng)濟(jì)的自動化解決方案。除了傳統(tǒng)的功能之外，無線點(diǎn)檢系統(tǒng)還提供了現(xiàn)場點(diǎn)檢分析功能，為現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)人員提供了極大的方便。

2 基于ZigBee的無線通訊網(wǎng)絡(luò)

為了提高無線網(wǎng)絡(luò)的效率和可靠性，我們參考物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)原理，利用ZigBee協(xié)議(IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn))來搭建點(diǎn)檢網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee是一種較為新型的無線局域網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議［4－5］。為解決已有無線通信技術(shù)中功耗大、組網(wǎng)規(guī)模小、通信協(xié)議過于復(fù)雜等問題，IEEE成立802.15.4工作小組，在Home RF Lite無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上開發(fā)802.15.4協(xié)議。2001年，ZigBee聯(lián)盟成立，隨后 Invensys(英國)，Mitsubishi(日本)，Matoraola(美國)和 Philips(荷蘭)宣布加入 ZigBee聯(lián)盟，此后ZigBee迅速發(fā)展壯大，于2004年發(fā)布 ZigBee 1.0(ZigBee2004)。ZigBee具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括:

·低功耗:兩只干電池可支持節(jié)點(diǎn)工作半年以上。

·低速度:最高帶寬250kbps@2.4G，40kbps@915M，20kbps@868M.2Mbps的規(guī)范目前也正在研究當(dāng)中。

·近距離:一般通信距離在100m以內(nèi)，目前已經(jīng)擴(kuò)展到1km。

·高容量:理論上限65535個(gè)，實(shí)際上用51核的soc能做到200個(gè)，在推出ARM+ZigBee的芯片后應(yīng)該有較大提高。

·低延時(shí):醒喚時(shí)間小于15ms。

·短時(shí)延:一般的通信延遲在ms級。

·低成本:ZigBee芯片已經(jīng)大幅降價(jià)。

·高安全:AES－128加密。

·免執(zhí)照:2.4G全球ISM波段，915M(美國)，868(歐洲)，433(中國*)。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層:物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對象。

圖1 ZigBee分層結(jié)構(gòu)

ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括三種，如圖2所示。

圖2 ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中，菱形節(jié)點(diǎn)表示ZigBee協(xié)調(diào)員，方形節(jié)點(diǎn)表示ZigBee路由器，圓形節(jié)點(diǎn)則表示ZigBee終端設(shè)備。

在本應(yīng)用中，我們采用第一種cluster tree結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)，可以提升終端節(jié)點(diǎn)接入數(shù)量，加強(qiáng)點(diǎn)檢系統(tǒng)的擴(kuò)展性，并保證了其開放性。

在本課題中，我們實(shí)際上是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

我們設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)包括三個(gè)層次:網(wǎng)絡(luò)層、管理層和接口層。

管理層:該層的主要功能包括管理各個(gè)傳感器發(fā)回的儀器狀態(tài)信息，評估被檢設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，做出相應(yīng)的控制決策，以及訓(xùn)練新的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

管理層是本點(diǎn)檢系統(tǒng)中最重要的一個(gè)部分。因?yàn)橄到y(tǒng)對各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的判斷需要在這一級做出。對于某些可以量化、易于利用數(shù)據(jù)表征其錯(cuò)誤情況的參數(shù)，像設(shè)備溫度，轉(zhuǎn)速等，本系統(tǒng)將采用自動判斷的方式，將設(shè)備工作狀態(tài)直接以結(jié)論的方式反饋給使用者。例如，當(dāng)某一設(shè)備在10分鐘的時(shí)間長度中溫度都大于該設(shè)備的最高使用溫度時(shí)，系統(tǒng)就可以直接判斷該設(shè)備是有問題的，而不用將原始的溫度參數(shù)發(fā)給操作人員，由人工進(jìn)行判斷。但是，對于另外一大部分牽涉層面復(fù)雜，難于用直觀方式判斷的參數(shù)，本系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)以采樣的方式傳到信息中心，由專業(yè)的操作人員對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。同時(shí)，由于現(xiàn)行的無線局域網(wǎng)絡(luò)都有較大的丟幀率、誤碼率和延時(shí)，因此，管理層還應(yīng)當(dāng)具有一定的檢錯(cuò)糾錯(cuò)和補(bǔ)償機(jī)制。本系統(tǒng)對某幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)采用ECC檢錯(cuò)糾錯(cuò)機(jī)制，保證關(guān)鍵設(shè)備的反饋狀態(tài)穩(wěn)定正確。

網(wǎng)絡(luò)層的主要工作包括實(shí)現(xiàn)ZigBee的MAC層功能，數(shù)據(jù)幀路由，傳輸和同步。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)層包括了ZigBee基礎(chǔ)的所有功能，這一層的主要功能將由ZigBee芯片來實(shí)現(xiàn)。

接口層主要功能就是為管理層和用戶之間提供一個(gè)良好的接口。

3 FPGA和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法，其主要部分包括核心部件FPGA，傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在ZigBee框架下完成新加入設(shè)備的自動訓(xùn)練。為了配合點(diǎn)檢系統(tǒng)擴(kuò)展性的要求，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元采用FMC(FPGA Mezzanine Card)總線，該總線是由FPGA廠商Xilinx公司提出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)，旨在為基礎(chǔ)板(載卡)上的FPGA提供標(biāo)準(zhǔn)的夾層卡尺寸、連接器和模塊接口。該接口協(xié)議能將I/O接口與FPGA分離，不僅簡化了I/O接口模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)還能最大化載卡的重復(fù)使用率。通過FMC接口，我們可以輕松地將擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集模塊接入到FPGA所在的母版。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 FMC母子接口示意圖

除此之外，數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、數(shù)據(jù)傳送方式、功耗管理以及任務(wù)管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信;電源管理單元為電路提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，在睡眠和正常工作模式時(shí)切換外圍模塊電源供應(yīng)。

CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以Zig-Bee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同版本，它們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kByte來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。

圖5 CC2430內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖6 傳感器子板

最后，我們對系統(tǒng)的FPGA資源消耗進(jìn)行了評估。由于隨著傳感器的增加，F(xiàn)PGA的資源，尤其是IO資源消耗將成倍增加，因此在資源評估中，我們只評估了僅有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)情況下的資源消耗。

表1 FPGA資源消耗評估情況

從表1可以看出，本系統(tǒng)對FPGA邏輯資源需求量較小，用Spartan3系列的FPGA即能滿足需求。當(dāng)傳感器數(shù)量較多，需點(diǎn)檢系統(tǒng)較多時(shí)，對FPGA的IO資源消耗將會增加。

4 結(jié) 束 語

提出了一種基于FPGA和ZigBee的無線設(shè)備點(diǎn)檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的人工點(diǎn)檢方式，相比后者，本系統(tǒng)具有自動化、可靠性高、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確性強(qiáng)和可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)將會對大型企業(yè)的點(diǎn)檢體系帶來非常有益的幫助。

［1］李進(jìn)慶，可敬.基于無線通信的設(shè)備點(diǎn)檢系統(tǒng)［J］.工礦自動化，2010(4):63－66.

［2］趙艷菊，王太勇，徐躍，等.基于網(wǎng)絡(luò)的離線式設(shè)備點(diǎn)檢管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2008(5):1455－1457.

［3］唐偉，張建波，范文賓.基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)通信，2004(11):37－40.

［4］M A Gómez López，C B Goy，etc.FPGA implementation of a ZigBee wireless network control interface to transmit biomedical Signals［J］.Journal of Physics，2011:635 －641.

［5］Jinsung Byun，Boungju Jeon，etc.An Intelligent Self－ Adjusting Sensor for Smart Home Services based on ZigBee Communications［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2012.