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基于ZIGBEE无线传输技术的液位采集系统
「有线数据采集一直是我们的传统业务,但在一些采集点分散,布线困难的场合,有线的方式就相形见拙了,无线传输技术在数据采集上的应用弥补了这一短板。(2020-12-6)」
关键词:ZIGBEE;现场仪表;无线传输;数据采集
  1 ZIGBEE简介
  ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
  2 应用背景
  于桥水库两千米的大坝上分布安装有九个液位变送器,用来测量大坝内液位的高度,以此来保证大坝的安全,现场为蓄电池供电,每次查看液位工作人员需要从两公里外办公室沿大坝逐个查看抄取数据,然后为了节省电力再将电源关闭,回到办公室再将现场所抄数据手工录入电脑表格中,耗时费力。基于此情况开发设计了针对于现场情况的无线采集系统。供电采用太阳能和蓄电池供电,大坝上不允许敷设电缆,大坝上信号传输业主要求为无线传输方式,完成数据监控和报表的功能。本方案基于ZIGBEE无线传输技术完成各采集点的液位采集。
  3 架构设计
  针对现场地理位置情况,第一个采集点至最后一个采集点的距离大约为1000米,且在中间采集点附近有一视频监控室有光缆资源连接通往办公室。比较了几种无线传输技术,最终选择了ZIGBEE传输技术,大坝上空间开阔,各采集点之间无阻碍,ZIGBEE在这种情况下理论上可以传输一千米,且功耗最低。采集接收站可以设置在监控室,再通过光缆传输到办公室。
  4 现场采集站
  4.1 电流信号采集转换
  现场液位变送器输出的是标准的4-20mA电流信号,采用模拟量采集模块,将液位变送器的标准电流信号转换为标准的485信号,以便进行下一步数据处理。此模块为单通道的隔离变送器。一路输入,一路通信输出。该隔离变送器采用独立的直流电源供电方式,供电电源--输入--输出之间隔离。隔离传输,485通信,标准MODBUS-RTU协议。单通道,一入一出。输入--输出--电源之间隔离。带有工作电源指示灯。数码管显示隔离器地址。标准的35mmDIN导轨卡式安装。还有一点最主要的是其功耗很低,大约1W左右。
  4.2 485信号的无线传输转换
  现在电流信号已经转换成485信号了,九个采集站都分配了采集地址,已经为无线传输做好了准备,这时无线传输的核心设备出场了,ZIGBEE模块将485信号转换为无线方式发射,此模块进行设置后可自动组网,具有自动路由功能,假设从A到B,由于通讯距离远而不能通讯,则只需要在A、B之间增加一个模块,则该模块可以自动为A、B提供路由,或者中继传递数据,同时具有自动路由修复功能,如果路由路径破坏(如某个模块断电),网络能自动寻找新的路由路径,达到自动修复路由路径的目的。接收站采用设置为主站的ZIGBEE模块,将现场传来的九个数据转换为485信号,运用光电转换技术对信号进行处理,通过光缆传输到办公室的电脑。参数如下:
  串口格式:8-N-1(默认),可设置为:8-Odd-1(奇效验),8-Even-1(偶校验);串口速率38400bps(默认),可设置2400bps,4800bps,9600bps,19200bps,38400bps,57600bps,115200bps;无线频率:2.4G,用户可通过串口指令更改频道(2405MHz-2480MHz,步长:5MHz)11-26频道;传输距离:可视,开阔,传输距离1600米。功耗大约为3W左右。
  5 数据采集工作站
  数据采集工作站是最终集中显示现场仪表数据的地方,它由硬件和软件两部分组成。硬件选择一般的工作用电脑即可。软件就是开发的数采软件,这里采用了组态王软件来实现这一功能。首先来自现场的485信号通过485/232转换器连接到电脑的串口。在软件中要定义接口,设置通讯,通讯协议为485MODBUS RTU,传输速率为9600bps,娄据位8位,停止位1,无校验。通讯格式与现场的模块量采集模块保持一致。建立九个变量代表现场九个液位变送器,这里要注意的是传上来的数据为数字信号要进行换算来还原现场原始值,这是由于模数转换的原因:组态画面,显示现场九个采集点的实时液位情况并以动画形式呈现,整个大坝的液位情况一目了然;组态历史曲线,用户根据需要可以进行任意时间段的历史数据查询,软件会自动生成曲线;组态高限报警功能满足用户的使用,用户可自行设置报警上限值,液位报警会显示在画面上;组态报表功能,数据按用户需求自动生成,例如用户可以输入查询的区间段和采集频率,那么这一区间的数据都一一列出来了。这里就不做具体介绍了。
  6 系统功能
  ①液位数据实时显示,可根据用户的要求设置高限报警;②历史数据查询,曲线自动绘制,为监控和分析提供依据。
  7 系统优势
  ①采用ZIGBEE技术的无线网络功耗低、传输距离远、不产生通信费用,解决了地域分布问题和布线施工;②系统扩展性强,在有效距离内对于新增加站点能及时入网上传数据,组网灵活方便;③成本低,设备费用低廉,施工简单方便。
  作者簡介:
  王雷(1984- ),男,汉族,籍贯:辽宁省阜新市人,学士学位,仪表工程师,从事工业自动化仪表。
(lKEh)
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