自洁式空气过滤器无线控制系统

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摘要：当代的工厂生产过程中，繁缛的布线不但使得成本增大，不易维护，而且在安全性方面存在隐患。国际上流行的WSN（无线传感器网络）技术，利用无线局域网通信取代传统布线，适用于工业无线控制。本文介绍的“自洁式空气过滤器无线控制系统”(XD_AF01)采用无线传输的方式实现了主控端对受控端的控制，提高了系统的可靠性和易用性。

关键词：无线传感器网络；工业无线控制；IEEE802.15.4

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)17-21442-02

工业生产中常需要将空气经过过滤后再使用，途径是通过控制布置在厂房顶部的电磁阀开启和关闭，调整空气与过滤剂的接触时间，从而达到过滤效果。这些电磁阀是有序布置，依次开启的，传统的控制方法是通过布线完成电磁阀和主控制端的通信，但繁缛的布线不但麻烦，增加成本，而且在安全性方面存在隐患。

XD_AF01基于国际上流行的WSN技术[2,3,4]，在IEEE802.15.4[1]协议基础上实现主控端对电磁阀的无线控制。本文在介绍了该系统软硬件构成的基础上说明了其无线控制部分的优化。

1 系统介绍

XD_AF01由1个主控端、306个受控端、风压变送器组成。风压变送器实时采集受控端工作现场的气压，转换为电流值后传送至主控端；每个受控端由1个控制器和与其相连的1个电磁阀组成，控制器负责与主控端无线通讯，根据主控端的命令打开或关闭与其相连的电磁阀。受控端之间彼此独立工作，间隔约半米，工作在1间厂房内；主控端带有液晶屏和按键，用于显示及控制受控端工作。主控端与受控端工作现场（厂房）相距约100米，通过无线通讯控制受控端。

主控端的主要工作状态有3个：参数设置、自动巡检、手动控制。

2 程序结构

系统运行时，首先需要进行硬件和通讯的初始化，读取Flash中的工作参数。当主控端处于“开启”状态（由监控台控制），则根据主控端是否接收到人工操作信号（设置参数或进入手动控制），在程序主函数中分为按键有无按下2部分：若有按键按下则进入人机交互模块；若无按键按下则进入工作模式：自动巡检(AUTO)或手动控制(HDL)。AUTO模式将调用无线通信模块，HDL模式将调用无线通信模块和人机交互模块。程序的主函数流程图见图1。

3 硬件架构和通信协议

XD_AF01系统的硬件架构包括主控端(Master)和受控端(Slave)，2个的控制器分别采用东南大学ASIC中心研制的Z1100和Z1000模块（内嵌Freescale 的MC13213芯片[5]），配置60K Flash，4K RAM， 符合IEEE802.15.4标准的RF模块，工作在ISM的2.4GHz频段，带有8通道10位的ADC和8位的按键中断，最大时钟速率40MHz。无线通信在IEEE802.15.4的PHY和MAC协议规范基础上，自定义了具有针对性的NWK和APL协议以保证XD_AF01的通信质量。

3.1 硬件架构

主控端的组成包括：液晶显示模块、Z1100控制模块（内嵌集成RF及ADC的Freescale MC13213芯片）、电源模块、电流输出模块，通过2.4GHz无线信号对受控端行控制，受控端的组成包括：Z1000控制模块（内嵌MC13213芯片）、电源模块、电磁阀。硬件框图参照 图2：

3.2 通信协议

本系统采用的无线通信工作在开放的2.4GHz频段，被广泛用于工业控制领域，具有较好的可靠性和抗干扰性。为了进一步提高系统的稳定性，在如下2方面进行了改进：

1)差错控制

为保证传输无丢失，增加了主控端的中继站转发其通信内容，以实现无数据包丢失，并根据数据包的序列号过滤实现无重复交付。

2)增加可靠性

根据XD_AF01系统的功能要求，某个受控端处于非控制状态下的开启状态会造成严重后果，故采取下列措施保证受控端处于关闭状态以提高系统可靠性：

a）主控端仅发送1次同时包含导通时间和开关间隔信息的数据包至受控端NodeNum号，NodeNum号在收到带有开启命令的包后，必然可以从中得到关闭信息，从而将电磁阀关闭；

b）主控端在发送开启命令并延长导通时间后（正常情况下，此时受控端以将电磁阀关闭），广播一次关闭命令以进一步确保此时的所有电磁阀都处于关闭状态；

c）受控端判断电磁阀开启的时间是否超过阈值，若超过则关闭电磁阀。

4 结束语

XD_AF01系统使用无线传感器网络技术，综合了无线通信、嵌入式计算机系统、传感器技术等，省去了传统工业控制中的大量线缆，提高了系统的稳定性和易维护性。

参考文献：

[1] IEEE Standard 802.15.4[S].2003.

[2] 蒋挺，赵成林，紫蜂技术及其应用[M]. 北京邮电大学出版社,2006.

[3] Holger Karl, Andreas Willing. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks[M].邱天爽,唐洪等译,2007.

[4] 金保升.无线传感器网络多信道MAC协议的研究与实现,CNKI:CDMD:2.2007.196417 2007年7月.

[5] Freescale Co.MC13213 Data Sheet[S].

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文