ZigBee无线网络技术的自动控制系统研究论文

前言

随着自动控制系统的发展，其在越来越多的行业中发挥了重要的作用。当前系统中的设备通过电缆来连接，从而形成了很大的限制性，为了拓宽系统控制的范围，在系统中应用了ZigBee无线网络技术，这种技术具备成本低、易维护、自我修复等优点，可以实现远程自动控制。与现有的自动控制系统有线网络相比，基于ZigBee无线网络技术的自动控制系统将会具备更加优越的性能，从而提升运行的稳定性及可靠性。

1自动控制系统的硬件设计

1.1发射模块

传感器在进行信号发送时，发送的为4~20mA的标准电流信号，发射模块接收到信号之后，需要对信号进行转换，变为电磁波无线之后在发射出去，而这就是发射模块的功能。发射模块的硬件具有固定的结构，接收到传感器的信号之后，首先由I/V变换电路对信号进行变换，经过变换之后，标准电流信号由4~20mA变为1~5V，随后，变化之后的信号经过零点迁移电路，成为0~4V电压，再经过A/D转换器以及单片机之后，变成电磁波无线信号，实现与下位机之间的通信。在进行发射模块硬件电路设计时，首先要对使用的元器件进行了解，在自动控制系统中，所使用的微控制器的型号为P89LPC935，该型号为单片封装，处理器结构的性能非常高，在执行命令时，所需的时间比较少，同时，此种型号的微控制器中集合了很多系统级的功能，使用之后可以大量的减少元器件的`数量，降低系统成本；射频芯片的型号为CC1100，此种芯片具备可编程的特点，而且与ZigBee协议之间具备较高的一致性，在低功耗无线应用中，适用性非常强；ADS7829是发射模块硬件电路中一个重要的元件，此种型号的元件所具备的采样速率是非常快的；在I/V变换电路中，主要的功能就是信号变换，在选择元件时，采用了无源I/V变换；零点迁移电路为LM358，在LM358内部，设置了两个双运算放大器，这两个部件之间相互独立，在单电源中具备比较高的适用性。在明确电路元器件的型号和功能之后，就需要进行发射模块硬件电路设计。

1.2接收模块

接收模块硬件电路设计的步骤与发射模块是相同的，首先需要明确各个元器件的型号及功能。在接收模块中，包含四个部分：射频芯片、单片机、D/A转换器、V/I转换电路。实际上，接收模块的工作流程就是将发射模块逆过来。D/A转换器选择的型号为TLV5617，此种芯片的接口为SPI接口，输入时的通道为单个，输出时的通道为双通道，芯片的输入端与发射模块单片机的接口需要进行有效地连接；V/I转换器选择的为集成的AD694型号，通过转换器的转换，将接收到的信号还原为4~20mA标准电流信号。这两个部分的元件型号确定之后，就需要根据其功能及相关的要求来进行电路设计。

1.3PCB电磁兼容

在进行PCB设计的过程中，电磁兼容是必须要考虑的，只有电磁兼容性能比较优异，才能保证PCB设计的合理性及科学性，具体说来，应该注意四个方面的问题：①在进行电源线设计时，为了将环路电阻减少，就需要将电源线的宽度增加，同时，在进行电源线的走向设计时，要与数据传递的方向保持一致，这样一来，抗噪声的能力才会比较好；②在进行集成芯片的电源输入设计时，要设置滤波电容，位置为电源输入脚；③为了保证晶振的正常运转，在晶振信号线附近要避免其他信号的穿过；④为了将寄生耦合降低，元件面与焊接面之间不能出现平行。

2自动控制系统的软件设计

2.1需解决的问题

自动控制系统在应用ZigBee无线网络技术进行软件设计时，首先需要解决可靠性以及延时两个方面的问题。对于可靠性，要从硬件设计及软件设计两个方面来保证，通过电路的合理设计以及软件的科学编程，来提升自动控制系统运行的可靠性；对于延时，延时的存在会在很大程度上影响系统的可靠性、稳定性，不过在系统中应用了ZigBee技术之后，延时问题也被有效的解决。这样一来，通过ZigBee无线网络技术在自动控制系统中的应用，有效的解决了可靠性及延时的问题。

2.2发射模块

①进行初始化程序设计。针对微控制器的型号，在进行软件设计时，就需要选择I/O口输出模式，为了保证I/O输出模式的正常使用，I/O口模式要保证正确的配置，通常来说，I/O口配置寄存器决定了其模式。I/O口模式配置完成之后，需要进行SPI寄存器初始化，在SPI寄存器中，包含主模式和从模式两种操作形式，这两种模式所具备的速率是非常快的。初始化完成之后，要将开门狗关闭，并将外部中断开启。②CC1100初始化程序设计。在CC1100中，微控制器为其接口显示，在进行初始化程序设计时，要对寄存器进行正确的配置。③发射模块软件程序设计。无线收发模块的电源来源为电池，为了保证其具备较长的使用寿命，就需要将系统的工作时间尽量的减低，在非工作状态时，系统需要处于睡眠状态，基于此，LPC935在工作时，采用的方式为定时采样中断，采样完成之后，就会进入到睡眠状。

2.3接收模块

在进行了一段时间的控制之后，CC1100将会自动终止接收，这是CC1100具备的一个可选功能，称之为电磁波激活。也就是说，CC1100在工作的过程中，接收等待状况并不是一直持续的，而是接收等待状况以及深度休眠状态各维持一定的时间，这样一来，在对数据信号进行侦测时，就可以不借助MCU的作用。CC1100在进行侦测时，如果侦测到数据信号，就会将信号发送给LPC935，如果此时LPC935处于休眠的状态，CC1100就会向其发送一个外部中断信号，LPC935接收之后进行相应的反应，同时进行数据信号的接收，数据信号接收完毕并检测地址正确之后，就会向发送模块发出已接收的应答信号。这一系列的过程完成之后，会再次进入到休眠状态，直到再有数据信号传来时，才能被激活。

3结论

在自动控制系统中，通过ZigBee无线网络技术的应用，将电缆连接时存在的范围限制解除，从而提升了自动控制系统的控制范围，同时，经过科学的硬件电路以及软件设计之后，自动控制系统的性能得到显著的提升，在运行的过程中，有效的保证了运行的稳定性及可靠性。基于ZigBee无线网络技术的自动控制系统在不断完善的过程中，将会具备更加广阔以及深入的应用前景。