基于ZigBee技术的低成本PLC无线网络设计

基于ZigBee技术的低成本PLC无线网络设计

一、选题简介、意义

PLC是一种常用的工业控制器，在工业的各个领域都有广泛的应用。传统的PLC或者是以单机形式独立工作或者是以有线组网的形式多机协同工作。现有的PLC组网一般都是采用传统的有线方式联网，这就要求在工业现场进行电缆铺设的施工，受场地、设备、生产条件的限制，组网实施存在较大的困难。本项目提出的低成本PLC无线互联网系统以无线组网的方式实现各个PLC控制器的联网。PLC通过ZIGBEE模块接入到ZIGBEE网络，各个PLC经由ZIGBEE模块实现各类信息和数据的交换。

该PLC网络能够实现自组网，成本低廉，数据传输满足控制要求，各PLC控制器之间能够协同工作，可以达到较为复杂的协同控制功能，有较为实际的应用价值。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

研究内容：完成一个zigbee技术PLC无线组网系统，借助其网络将分散在各个地方的PLC控制器联系在一起。

要解决的问题：设计符合zigbee协议的协调器节点和终端节点的硬件、软件；设计PLC的串口通讯程序；实现PLC与zigbee节点串口通讯；通过工程案例验证PLC无线网络的组网和数据传输可靠性。

预期目标：通过制作多个zigbee无线模块，连接PLC，组建一个小型的多PLC网络，各机之间能够实现通讯，协同工作。

研究步骤：1.学习了解zigbee技术协议

2.掌握TI CC2530无线单片机的软件、硬件

3.学习了解三菱FX3系列PLC基本应用

4.掌握串口通讯的协议和串口数据的传输，初步实现CC2530与FX3系列PLC的通讯

5.通过实例验证PLC无线组网系统

方法及措施：1.在图书馆查询相关资料

2.向有关人员咨询了解

3.在网络上查询资料

4.向指导老师请教相关问题

摘要：ZigBee具有低速率、低功耗、低成本、短时延和自组网能力。使得其在中短距离信息传输的工业控制过程中，发挥着越来越重要的作用。本文选用三菱工控PLC及ZigBee微处理器CC2530进行无线网络星形网络拓扑的构建，各个终端节点与协调器节点建立数据交互通路，终端节点又与PLC进行数据交互，达到了控制距离范围内无线的全覆盖及控制通道的流畅。ZigBee无线网络结合PLC强大的输入输出接口扩展功能，构建低成本的PLC无线控制网络，实现了工业生产中分散控制数据传输的问题，在现实工业生产中有着重要的意义。

关键词: ZigBee;CC2530;PLC; 协调器节点

第一章绪论 1

（一）研究目的及意义 1

（二）国内外研究现状 1

（三）本文研究内容 2

第二章通信方案选型 3

（一）无线通讯方案比较与选择 3

1、蓝牙技术 3

2、Wi-Fi技术 3

3、ZigBee技术 4

4、无线技术选择 4

（二）PLC与无线模块接口通信选择 4

第三章系统总体设计 5

（一）系统方案 5

（二）三菱FX系列PLC 6

第四章 ZigBee模块设计 8

（一）CC2530简介 8

（二）CC2530射频电路设计 9

（三）电源设计 11

（四）串口电路设计 12

第五章系统软件设计 13

（一） ZigBee程序设计 14

（二） PLC控制系统的设计 16

（1） PLC通讯接口线路连接 16

（2） PLC通讯程序设计 17

第六章系统软硬件制作 17

（一） Zigbee模块焊接制作 17

（二） Zigbee与PLC接线制作 18

第七章总结与展望 18

（一）总结 18

（二）展望 20

致谢 21

参考文献 22

第一章绪论

（一）研究目的及意义

随着新兴科技的发展，无线传播技术已经应用于各行各业，无线技术解决了生活中方方面面的问题，如地势恶劣情况下通信线缆布线的问题，仅这一个方面就使通信硬件成本大大降低，其它方面，无线通信在信息传输的实时性方面有明显优势，无线终端的便携性，可以及时地收发数据以及进行数据的分析处理。ZigBee是一种在工业应用中使用比较普遍的无线网络技术，其具有通信可靠、投入低廉的特点，一般通信距离在1km以内，通过合理的连接布局可以实现局域的信息互联，另外现在很多的ZigBee传输模块还具备采集信息，传输信息以及智能处理于一体的优势。

目前PLC广泛应用于工业控制，目前条件下其强大的输入输出接口、稳定可靠性使其不会被其它处理器代替，工业生产中PLC一般做为下位机，处理执行上位机计算机的命令。该系统可以充分利用PLC的多路输入输出能力，同时也能在上位机上进行信息集中显示。通过这种结构方式，可以对现场多路控制进行集中管理，效果突出。但由于PLC工作于环境恶劣、地势复杂的场所，给有线通讯网络的架设带来诸多不便，或拖延施工进度，或增加施工成本，严重影响了PLC通讯的实现。随着无线网络技术的不断发展、成熟，将无线技术应用到PLC控制系统的通讯中，可以完美解决有线网络施工中所遇到的难题，节省了大量成本。本文结合ZigBee组网技术与PLC控制技术，实现了工业生产中分散控制数据传输的问题，鉴于低成本及传输稳定性的特点，这种组网方式具有研究价值。

（二）国内外研究现状

在信息传输方面有线介质传输方式应用于节点少，采集速率低的场合，目前在工业控制中一般采用总线传输数据的形式，如RS485、SPI、IIC、IIS等通信方式，为每一台终端设备编址，控制处理器采取遍历查询的方式进行数据交互，这种方式随着系统规模的增加，其性能无法满足要求，如通信效率低，数据质量不高，而且通信线的排布变得复杂，维护时难度及成本增加。

由于无线传输方式在空间传播的优势性，现在在工业中应用越来越广泛，主要技术有GPRS通信、GSM通信、无线电台通信、ZigBee通信、TCP/IP无线传输等，以数据传输网络为载体，实现集中监控、统一调度、优化管理，无线传输在远程数据采集及监控中作用越来越重要，而且随着无线技术的成熟，传输数据质量越来越稳定可靠，抗干扰能力也越来越强。

（三）本文研究内容

本文目的是研究基于ZigBee技术的低成本PLC无线技术，对ZigBee协调器节点以及路由器节点进行研究，进行原理图的绘制以及参考程序的编写，对于PLC控制方面，主要预留外部接口，设计与ZigBee模块的通信程序。本设计需实现下述功能：

1.针对PLC不能组网的缺点，通过对无线技术的了解和分析，选择一个合适的技术，实现PLC组网操作；

2.选用合适的芯片，作为无线通信部分的核心芯片，并设计电路来完成无线通信功能。

3.无线通信和PLC模块间，需要进行一定的通信。所以，需要确定无线通信模块和PLC间通信的方式。

4．对无线通信部分电路进行设计，包括核心电路设计，功率放大器设计，以及电源设计。

5.分别对ZigBee模块和PLC模块，进行程序编写。PLC主要是实现将数据发送给ZigBee模块。ZigBee主要实现有线信息接收和无线信息转发。

为了实现上述功能，本设计进行了详细的软硬件设计，以及论文撰写。文章的结构如下。

绪论，首先介绍了课题内容、研究意义，突出本文的研究是有应用前景的，针对研究的无线技术的国内外现状进行分析。

通信方案选型，从三种常见无线通信方式和三种常见串行通信进行对比。最终确定以ZigBee技术为本设计的无信通信方案，以RS-232作为PLC与Zigbee通信的串行方式。

系统总体设计，根据ZigBee无线传输方案进行硬件设计、PLC通信的接口设计，实现PLC低成本组网功能的实现。

系统软件设计，主要进行两方面的软件设计，一是对ZigBee方案进行软件调试，另外一个是编写PLC通信接口程序。