專利名稱：無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實用新型涉及一種無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用基于短距離射頻通信的
工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，屬于工業(yè)測控領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當前的工業(yè)測控系統(tǒng)和設(shè)備主要采用可編程控制器或工業(yè)控制計算機為核心，以 現(xiàn)場總線方式或者工業(yè)以太網(wǎng)通信方式對工業(yè)現(xiàn)場進行測控，現(xiàn)場傳感器和被控設(shè)備與控 制中心設(shè)備的互聯(lián)互通采用硬介質(zhì)，不僅布線復雜、施工和維護麻煩，而且成本特別高。隨 著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)測控由現(xiàn)地控制方式發(fā)展為現(xiàn)地控制和遠程控制互為備份的控制方式 并存，現(xiàn)在廣為應用的遠程控制主要利用公用通信網(wǎng)絡(luò)作為遠程通信介質(zhì)；利用大功率窄 帶數(shù)傳電臺進行點到點或點到多點的無線控制方式在對SCADA應用中較為常見。禾l」用公
網(wǎng)傳輸控制命令和設(shè)備狀態(tài)信息存在公網(wǎng)安全性和可靠性依賴通信網(wǎng)路運營商，公網(wǎng)癱瘓 時，用戶無能為力，其次，利用大功率窄帶數(shù)傳電臺進行點到點或點到多點的數(shù)據(jù)傳輸，難 以構(gòu)造信道冗余備份的可靠的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。 另外，以可編程控制器或工業(yè)控制計算機為核心構(gòu)建的工業(yè)測控系統(tǒng)和設(shè)備的互 聯(lián)互通便利，但是可編程控制器或工業(yè)控制計算機只適用于測量和控制對象較為復雜且密 集的地方，主要采用本實用新型在研究工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)工 業(yè)控制系統(tǒng)工作環(huán)境，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)部署新型工業(yè)測控通信網(wǎng)絡(luò)平臺，實施對 現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測、控制和故障診斷。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安裝布線復雜，維 護麻煩等缺點，提供一種無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用基于短距離射頻通信的工 業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于各種工業(yè)現(xiàn)場、移動設(shè)備測控、環(huán)境監(jiān)測、水利水文監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn) 無線遠程測量和控制。 本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本實用新型無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于由無線傳感器/執(zhí)行器 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點、n個協(xié)調(diào)者節(jié)點、m個終端采集控制節(jié)點組成，其中無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng) 絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過RS232異步串行通信接口與上位機管理系統(tǒng)互聯(lián)，無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng) 絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過Zigbee協(xié)議和協(xié)調(diào)者節(jié)點無線通信，協(xié)調(diào)者節(jié)點通過Zigbee協(xié)議與終端 采集控制節(jié)點無線通信，終端采集控制節(jié)點輸出控制量于受控對象實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和測 量，所述n和m都為自然數(shù)。 本實用新型無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及其方法，采用基于短距離射頻通信 的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其適用性強，與測控類型無關(guān)；整個系統(tǒng)只需要無線控制節(jié)點和采集 隔離板，成本低，安裝容易。

圖1是本實用新型的系統(tǒng)組成示意圖； 圖2是本實用新型的終端采集控制節(jié)點結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本實用新型的終端采集控制節(jié)點電路原理圖； 圖4是無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者節(jié)點的工作流程圖； 圖5是無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)終端采集控制節(jié)點的工作流程圖； 圖6是無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)場部署示意圖； 圖7是終端采集控制節(jié)點的信號輸入/輸出接線端子部署示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。 如圖l所示，本實用新型由無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點1、協(xié)調(diào)者節(jié)點21、 協(xié)調(diào)者節(jié)點22、協(xié)調(diào)者節(jié)點23、終端采集控制節(jié)點31、終端采集控制節(jié)點32組成。無線傳 感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點1主要完成Zigbee協(xié)議和RS232串行口物理層協(xié)議的轉(zhuǎn)換；協(xié) 調(diào)者節(jié)點21、協(xié)調(diào)者節(jié)點22和協(xié)調(diào)者節(jié)點23主要完成無線數(shù)據(jù)和控制信令的中繼和路由； 終端采集控制節(jié)點31和終端采集控制節(jié)點32輸出控制量于受控對象、現(xiàn)場信息采集和測 無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是二十一世紀十大新興技術(shù)之一。本實用新型采用 ZigBee協(xié)議和應用層自定義協(xié)議作為無線通信協(xié)議，它是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù) 據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。基于ZigBee技術(shù)和應用層自定義協(xié)議的無線 傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)可最多容納65， 000個設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強，通信可靠，特 別適用于移動設(shè)備測控、環(huán)境監(jiān)領(lǐng)U、水利水文監(jiān)領(lǐng)U監(jiān)控等低傳輸率、短距離、低功率的領(lǐng)域。 該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點1)安裝方便，維護容易；2)可重配置，適應性強；3)能實現(xiàn) 無線遠程測量和控制；4)成本低。 如圖2、3所示，本實用新型所述的終端采集控制節(jié)點31和終端采集控制節(jié)點32， 其組成單元完全相同，主要由無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)芯片Ul (型號CC2430) 、4路集成 運放芯片(型號:LM324)，分別是U5A、 U5B、 U5C、 U5D、，光耦隔離芯片U2、 U3、 U7、 U8 (型號: PC817)和電壓轉(zhuǎn)換芯片U4(型號REG1117-5)、U6(型號REG1117-3. 3)，繼電器K1和繼電 器K2組成。無線傳感器/執(zhí)行器節(jié)點模塊由芯片Ul，電容Cl、電容C2、電容C3、電容C4、電 容C5、電容C6、電容C7、電容C8，電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻RIO、電阻Rll，電感Ll、電 感L2、電感L3，天線El組成，晶振Yl，晶振Y2，其中電阻R7，電阻R8，電感Ll，電感L2，電感 L3和電容C7、天線El組成天線發(fā)射電路，Rll和C8組成復位電路。兩路模擬信號輸入一 路通過由集成運放芯片U5A和U5B，電阻R12，R13組成的運放電路與Ul的18引腳相連，一 路通過集成運放芯片U5C和U5D，電阻R14， R15組成的運放電路與Ul的17引腳相連。兩 路數(shù)字輸入一路通過二極管D2， 二極管D4與Ul的11腳相連， 一路通過二極管D5， 二極管 D3與U1的12腳相連。四路數(shù)字輸出(l)由U1的9腳輸出高電平或低電平，經(jīng)過連接電 阻R2與芯片U2的1腳連接，U2的3腳分別與電阻Rl和電阻R3相連，其中電阻R3的的另 外一只腳與三極管Q1的基極相連接，Q1的集電極輸出控制量至繼電器K1，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制 對象的控制；(2)由Ul的8腳輸出高電平或低電平，經(jīng)過連接電阻R5與芯片U3的1腳連
4接，U3的3腳分別與電阻R4和電阻R6相連，其中電阻R6的的另外一只腳與三極管Q2的基 極相連接，Q2的集電極輸出控制量至繼電器K2，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制對象的控制；(3)由Ul的 6腳輸出頻率可變的脈沖量，經(jīng)過連接電阻R18與芯片U7的1腳連接，U7的3腳分別與電 阻R16和電阻R19相連，其中電阻R19的的另外一只腳與三極管Q3的基極相連接，Q3的集 電極輸出頻率可控的脈沖量，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制對象的控制；(4)由Ul的5腳輸出頻率可變 的脈沖量，經(jīng)過連接電阻R20與芯片U8的1腳連接，U8的3腳分別與電阻R17和電阻R21 相連，其中電阻R21的的另外一只腳與三極管Q4的基極相連接，Q4的集電極輸出頻率可控 的脈沖量，實現(xiàn)對現(xiàn)場控制對象的控制； 如圖4所示，是無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者節(jié)點的工作流程圖。 如圖5所示，是無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)終端采集控制節(jié)點的工作流程圖。 如圖6所示，無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場部署示意圖，整個系統(tǒng)分為相對獨立 的三部分，I為用戶應用子系統(tǒng)；11為無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；III為現(xiàn)場終端設(shè)備。所屬的用戶 應用子系統(tǒng)由工業(yè)計算機和網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成，工業(yè)計算機和網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間通過標準RS232通 信接口連接，工業(yè)計算機運行用戶應用軟件，提高用戶操作人機交互的界面，網(wǎng)管設(shè)備主要 負責協(xié)議的轉(zhuǎn)換，包括物理層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，上行數(shù)據(jù)和命令、下行數(shù)據(jù)和 命令的轉(zhuǎn)發(fā)；所屬的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，由若干功能完全相同的協(xié)調(diào)者節(jié)點組成，負責信息 的路由和交換；所屬現(xiàn)場終端設(shè)備由若干終端采集控制節(jié)點組成，負責工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采 集和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的控制。整個系統(tǒng)在部署流程是(l)部署用戶子系統(tǒng)于主控中心，安裝 用戶軟件網(wǎng)關(guān)設(shè)備的天線盡量置于高處；(2)部署現(xiàn)場終端設(shè)備，粗略計算工業(yè)現(xiàn)場和主 控中心的最遠距離；(3)部署無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，依據(jù)部署的現(xiàn)場終端的數(shù)量和計算工業(yè) 現(xiàn)場和主控中心的最遠距離，確定無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)量，通常情況下，為了使無線 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有足夠的容錯能力，其部署的節(jié)點數(shù)量不少于現(xiàn)場終端設(shè)備數(shù)量的2倍。 如圖7所示，終端采集控制節(jié)點的信號輸入/輸出接線端子部署示意圖，圖中第1 路模擬信號輸入端子Al和GND1，所述模擬信號的頻率范圍為50Hz-500KHz，幅度為0-5V ; 圖中第2路模擬信號輸入端子A2和GND2，所述模擬信號的頻率范圍為50Hz-500KHz，幅度 為0-5V ;第1路開關(guān)量信號輸入端子為DIl，開關(guān)量信號為干觸點信號，第2路開關(guān)量信號 輸入端子為DI2，開關(guān)量信號為干觸點信號，且第1路開關(guān)量信號和第2路開關(guān)量信號共用 同一地線DGND1 ;第1路數(shù)字量輸出端子為P1，數(shù)字量輸出信號的頻率為20Hz-200KHz，第 2路數(shù)字量輸出端子為P2，數(shù)字量輸出信號的頻率為20Hz-200KHz，且第1路數(shù)字量輸出信 號和第2路數(shù)字量輸出信號共用同一地線DGND4 ;繼電器長開觸點輸出P3和DGND2，繼電器 長閉出點輸出P4和DGND3。終端采集控制節(jié)點又直流12V供電，接線端子為12V和GND 本系統(tǒng)中，為保證終端與采集板之間實現(xiàn)快速、準確、可靠、安全的通信，在應用層 自定了一套簡潔的數(shù)據(jù)通信協(xié)議(雙字節(jié)數(shù)據(jù)低八位在前，高八位在后)。 例如0x1234 打包后3412 即LSB MSB 1.采集A模擬量 包頭 數(shù)據(jù)長度 用戶數(shù)據(jù) 01 02 04 00 FF 01 00 發(fā)送01 02 LSB MSB FF SADDR接收01 02 LSB MSB FF SADDR
短地址模擬量 01 19 01 CRC
01 LSB MSB LSB MSB CRC[0031]
如 送 收
收 收 收
2.輸出A模擬量
發(fā)送01 02 LSB MSB FF SADDR 02 LSB MSB LSB MSB CRC無
01020400FF 47 1301 CRC
01020600FF 00 0001 LSB MSB LSB MSB CRC
01020400FF 01 00 0119(發(fā)送命令，唯一)
01020800FF 01 00 01OF OF OF OF 54 (測試用)
01020800FF 01 00 0174 00 01 00 50(VDD/3， GND)
01020800FF 01 00 01E2 14 CF 19 0F(0xl4E2，0X19CF)
接收
例如
發(fā)送 接收 發(fā)送 接收01 02 08 00FF 01 00 02 LSB MSB LSB MSB CRC無01 02 08 00 FF 01 00 02 OF OF OF OF F201 02 03 00 FF 01 00 98 3.采集D數(shù)字量
發(fā)送:01 02 LSB MSB FF SADDR 03 CRC
接收01 02 LSB MSB FF SADDR 03 SB CRC
例如
01020400FF01000317
01020500FF000003LSB CRC
01020400FF01000317(發(fā)送命令，唯一)
01020500FF01000300 BA開關(guān)狀態(tài)(關(guān)關(guān))
01020500FF010003OF 97開關(guān)狀態(tài)(開開)
01020500FF010003FO 64開關(guān)狀態(tài)(開關(guān))
01020500FF010003FF 49開關(guān)狀態(tài)(開關(guān))
備注在采集數(shù)字量時，OxF代表邏輯1 (高電平)，0x0代表邏輯0 (低電平)狀態(tài) 4.輸出D數(shù)字量
發(fā)送01 02 LSB MSB FF SADDR 04 SB CRC 接收無 例如 發(fā)送 接收 發(fā)送 接收 備注01 02 05 00 FF01 00 04 OF FC無01 02 05 00 FF 01 00 04 OF FC :01 02 03 00 FF 01 00 98在輸出數(shù)字量時，OxF代表邏輯1 (高電平)，0x0代表邏輯0 (低電平)狀態(tài) 5.采集F頻率量
發(fā)送01 02 LSB MSBFF SADDR05 CRC
接收01 02 LSB MSBFF SADDR05 LSB MSB CRC
例發(fā)接發(fā)接接接[0070]
01020400FF471305 05
01020500FF000005 LSBMSB CRC
01020400FF010005 05
01020600FF010005 OF OF89
FF SADDR
06 LSB MSB CRC
如 送 收 送 收
6. 輸出F頻率量 發(fā)送01 02 LSB MSB 接收無
例如
發(fā)送01 02 05 00 FF 00 00 06 OF OF 34
接收無
發(fā)送01 02 06 00 FF 01 00 06 OF OF 34 接收01 02 03 00 FF 01 00 98
7. 控制步進電機控制器
發(fā)送:01 02 LSB MSB FF SADDR 06 LSB MSB CRC 接收無
例如
發(fā)送01 02 05 00 FF 00 0007 FF xx xx 34
0001020500FF0000無01020700FF010001020700FF010001020400FF0100
反轉(zhuǎn)
XX XX XX
正轉(zhuǎn)
正轉(zhuǎn)輸出FF FF個脈沖 反轉(zhuǎn)輸出FF FF個脈沖
正轉(zhuǎn):OxFF 反轉(zhuǎn):0x00
例發(fā)接發(fā)接
權(quán)利要求一種無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于由無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(1)、n個協(xié)調(diào)者節(jié)點、m個終端采集控制節(jié)點組成，其中無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(1)通過RS232異步串行通信接口與上位機管理系統(tǒng)互聯(lián)，無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(1)通過Zigbee協(xié)議和協(xié)調(diào)者節(jié)點無線通信，協(xié)調(diào)者節(jié)點通過Zigbee協(xié)議與終端采集控制節(jié)點無線通信，終端采集控制節(jié)點輸出控制量于受控對象實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和測量，所述n和m都為自然數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于所述終端采 集控制節(jié)點包括控制節(jié)點模塊、現(xiàn)場控制模塊、電源、模擬信號輸入模塊和數(shù)字信號輸入模 塊，其中控制節(jié)點模塊由主電路、天線發(fā)射模塊和復位電路組成，復位電路的輸出端接主電 路的復位端，主電路與天線發(fā)射模塊電連接，模擬信號輸入模塊和數(shù)字信號輸入模塊的輸 出端接主電路的輸入端，主電路的輸出端接現(xiàn)場控制模塊的輸入端，現(xiàn)場控制模塊的輸出 端接受控對象實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和測量，電源對上述電路和模塊供電。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備最多容納65， 000個現(xiàn)場設(shè)備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于所述的終 端采集控制節(jié)點同時可以接入2路物理模擬信號，電壓范圍為0-5V ;所述的終端采集控制 節(jié)點同時可以接入2路干觸點開關(guān)量信號；所述的終端采集控制節(jié)點同時可以輸出2路繼 電器開關(guān)量信號；所述的終端采集控制節(jié)點同時可以輸出2路數(shù)字脈沖量信號，幅度為5V。
專利摘要本實用新型公布了一種無線傳感與執(zhí)行控制器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，本實用新型所述平臺由無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點、n個協(xié)調(diào)者節(jié)點、m個終端采集控制節(jié)點組成。本實用新型采用基于短距離射頻通信的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其適用性強，與測控類型無關(guān)；整個系統(tǒng)只需要無線控制節(jié)點和采集隔離板，成本低，安裝容易。
文檔編號H04W88/16GK201499312SQ20092023466
公開日2010年6月2日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者嚴錫君, 仲啟強, 周璐, 張學武, 徐楓, 揚杰, 李建霓, 李臣明, 樊棠懷, 王慧斌, 馬志杰, 黃鳳辰 申請人:河海大學