基于Zigbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模與控制

基于Zigbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模與控制

馬永輝++趙洪輝摘要無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包含了計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)于一體，與傳統(tǒng)的“點對點”直接連接的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相比，無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具備了操作便利、成本低、易維護的特點。無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在具體的應(yīng)用中也會面臨著網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)包丟失的問題。因此，需要采取相應(yīng)的技術(shù)對無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行重新構(gòu)建?！娟P(guān)鍵詞】Zigbee技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建?？刂?Zigbee技術(shù)概述1.1Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)組成Zigbee技術(shù)實際上是一種低成本、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，該種技術(shù)誕生于2002年，美國Invensys、日本三菱電器、美國，摩托羅拉、荷蘭飛利浦等多家公司，聯(lián)合創(chuàng)建了Zigbee聯(lián)盟體系。在Zigbee技術(shù)中，最為基礎(chǔ)的就是需要先確立Zigbee協(xié)議架構(gòu)，該種架構(gòu)是在IEEE基礎(chǔ)上，定義了相應(yīng)的物理層、媒體訪問控制層。次年，在Zigbee聯(lián)盟中定義了Zigbee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)以及應(yīng)用層技術(shù)[1]。1.2丟包概率分析在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，對丟包概率進行分析，通過搭建實驗平臺，以Zigbee的Mesh網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，應(yīng)用非時隙CSMA-CA算法。在實際應(yīng)用中，設(shè)定NB=0，BE=minBE，在（2BE-1）退避時周期內(nèi)隨機選擇一段時間，執(zhí)行CCA，檢測具體的信道是否滿足空閑需求，當信道空閑的情況下，判斷建模成功。當信道尚未處于空閑的情況下，需要認定NB=NB+1，BE=min（BE，maxBE）[2]。1.3網(wǎng)絡(luò)誘導時延經(jīng)過計算，確定Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)誘導時延d（k）主要包含了四個部分，控制環(huán)節(jié)、等待環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、延緩環(huán)節(jié)?？刂骗h(huán)節(jié)與延緩環(huán)節(jié)主要是針對數(shù)據(jù)從上位機通過串口到達源節(jié)點的時間、數(shù)據(jù)，從目標節(jié)點通過串口到達下位機但的時間。2基于Zigbee技術(shù)的單邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模與控制2.1控制系統(tǒng)建模在本文中針對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在著較大的網(wǎng)絡(luò)誘導、丟包現(xiàn)象，搭建相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)連接平臺，針對傳感器與控制器之間進行數(shù)據(jù)分析。在該種測試環(huán)節(jié)中，建立基于單邊的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)誘導時延等環(huán)節(jié)中，采用采樣周期的整體倍數(shù)，將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模成為一類T-S模糊模型，以及一類離散切換系統(tǒng)，避免閉環(huán)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中出現(xiàn)比較嚴重的干擾?；赯igBee技術(shù)的單邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包含執(zhí)行器、被控制對象、傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及控制型。執(zhí)行器針對被控對象提出指令，觸感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再到控制器中，完成指令的執(zhí)行[3]。2.2控制器設(shè)計在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計中，為了使得閉環(huán)單跳無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行，需要保障控制器的設(shè)計需要具備一定的條件。如，在給定標量的基礎(chǔ)上，存在著正定對稱矩陣時，要求矩陣不等式能夠滿足指數(shù)均方穩(wěn)定的條件。如果給定另一個標量的情況下，需要保障正定對稱矩陣能夠滿足閉環(huán)多跳網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在控制器作用下，呈現(xiàn)出指數(shù)均方穩(wěn)定。在對以上結(jié)論進行論證的環(huán)節(jié)中，應(yīng)該選擇李雅普諾夫函數(shù)[4]。3基于Zigbee技術(shù)的雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模與控制3.1控制系統(tǒng)建[本文來自于wwW.zz-news.CoM]模為了保障無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模成功，提升系統(tǒng)控制效率，在基于ZigBee技術(shù)的單邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建?；A(chǔ)上，研究雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模以及控制器設(shè)計。在該種建模方式中，需要對傳感器與控制器之間，控制器與執(zhí)行器之[本文來自于wwW.zz-newS.cOm]間，進行無線網(wǎng)絡(luò)連接。在應(yīng)用ZigBee傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，建立雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，并且有效的構(gòu)建基于丟包概率的李亞普諾夫函數(shù)。該種方式的應(yīng)用，有效的提升了控制器設(shè)計效率。對基于ZigBee技術(shù)的雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，在執(zhí)行器與傳感器之間增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當執(zhí)行器接收到系統(tǒng)指令的情況，控制被控對象，應(yīng)用傳感器，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)下，實現(xiàn)控制器的相應(yīng)功能。在對基于ZigBee技術(shù)的雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進行建模時，需要假設(shè)一定的前提：（1）傳感器為時間驅(qū)動，應(yīng)用時間T，設(shè)定控制器與執(zhí)行器為事件的驅(qū)動；（2）對每一個數(shù)據(jù)包進行編號；（3）采用單包傳輸方式，保障每一個時刻的狀態(tài)都可以測量的；（4）在實際建模環(huán)節(jié)中，忽略量化誤差，和通信過程中的誤碼情況。3.2控制器設(shè)計基于ZigBee技術(shù)雙邊無線控制技術(shù)的應(yīng)用，在設(shè)計控制器的環(huán)節(jié)中，當存在著正定對稱矩陣，需要保障其線性的不等式能夠成立。雙邊無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在控制器的應(yīng)用下，能夠滿足魯棒均方穩(wěn)定。4結(jié)論綜上所述，在本文針對ZigBee技術(shù)組成與丟包概率、網(wǎng)絡(luò)延時進行分析。在進行基于ZigBee技術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行建模環(huán)節(jié)中，從單邊無線網(wǎng)絡(luò)和雙邊無線網(wǎng)絡(luò)兩方面進行建模分析，以及控制器設(shè)計。在單邊無線網(wǎng)絡(luò)中，為了解決系統(tǒng)時延的情況以及丟包現(xiàn)象，文獻中將網(wǎng)絡(luò)誘導時延建模，將其設(shè)計為線性的系統(tǒng)，針對該類型的模型設(shè)計針對性的無記憶狀態(tài)反饋控制器。在雙邊無線網(wǎng)絡(luò)建模中，對傳感器與控制器之間，控制器與執(zhí)行器之間，進行無線網(wǎng)絡(luò)連接。參考文獻[1]劉艷玲，王鼎.煤礦野外生產(chǎn)生活區(qū)高位水池無線檢測系統(tǒng)——一種基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實例[J].電子世界，2013（15）：112-113.[2]李建寧.無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與控制[D].浙江大學，2013.[3]張鳳.基于ZigBee技術(shù)的無線溫度檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究[D].中國海洋大學，2011.[4]詹良.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[D].北京郵電大學，2008.作者簡介馬永輝（1976-）男，江蘇省徐州市人?，F(xiàn)為華洋通信