工业网络及应用技术 课件 -项目7 Zigbee无线通信协议

项目7Zigbee无线通信协议2025/7/2313:28目录7.1项目描述 7.2知识准备 7.3操作任务无线按钮控制电机启停测试思考题2025/7/2313:287.1项目描述

1.项目目标（1）掌握Zigbee协议的基本原理（2）掌握Zigbee网关设备的基本配置（3）掌握PLC通过Modbus/TCP与网关设备的通信（4）通过无线按钮实现对电机的控制7.1项目描述2.实践环境

表7.1实训平台设备列表软件环境：SoMachine编程软件、VijeoDesignerBasic软件实验设备数量备注ZBRN11Zigbee网关，网络接入点AP-Modbus/TCP以太网通信ZBRCETH1通信模块，支持ModbusTCPZB5RTA61Zigbee无线按钮，蓝色塑料平头复位按钮头和发射器TM241CEC24T1可编程控制器HMIGXU35121GXU触摸屏ATV320U04M2C1ATV320变频器,紧凑型,0.37kW7.1项目描述3.项目架构及任务（1）项目架构本项目通过无线按钮实现对变频器的控制，项目系统架构如图7.1所示。无线按钮通过Zigbee协议与网关通信，网关再通过MOodbus/TCP与PLC通信，PLC通过变频器控制电机运转，最终实现无线按钮控制电机的启停。7.1项目描述3.项目架构及任务IP地址及网站设置如下：PLCEthernet接口IP地址设定为192.168.12.11，子网掩码255.255.255.0；变频器Ethernet接口IP地址设定为192.168.12.12，子网掩码255.255.255.0；触摸屏IP地址设定为192.168.12.10，子网掩码255.255.255.0；ZBRN1网关IP地址为192.168.12.13，子网掩码255.255.255.0。7.1项目描述3.项目架构及任务（2）项目任务系统实训分2个任务，任务1为Zigbee网关配置，主要完成输入配置、以太网配置及射频配置等，一方面实现网关与无线按钮正常配对，另一方面为与PLC通信做好准备；任务2在已完成的PLC及触摸屏程序基础上，实现PLC与网关通信，并进行调试，实现变频器的控制。2025/7/2313:287.2知识准备ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。2025/7/2313:287.2知识准备7.2.1ZigBee概述7.2.2ZigBee技术及应用7.2.3ZigBee网关2025/7/2313:287.2.1ZigBee概述Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。2025/7/2313:287.2.1ZigBee概述作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点:（1）低功耗。（2）低成本。（3）低速率。提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。（4）近距离。传输范围一般介于10～100m之间。（5）短时延。Zigbee的响应速度较快。（6）高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构,一个主节点可管理254个子节点。（7）高安全。Zigbee提供了三级安全模式（8）免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。2025/7/2313:287.2.2ZigBee技术及应用1、ZigBee层级结构:ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，从下往上依次是物理层，MAC层，网络/安全层，应用支持子层，应用层，如图7-2所示。2025/7/2313:287.2.2ZigBee技术及应用2、ZigBee传输频带ZigBee具有三种频带:（1）868MHZ传输速率为20KB/S适用于欧洲（2）915MHZ传输速率为40KB/S适用于美国（3）2.4GHZ传输速率为250KB/S全球通用。2025/7/2313:287.2.2ZigBee技术及应用3、ZigBee应用ZigBee具有广泛的应用场景，主要包括：（1）家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等；（2）工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制；（3）商业：智慧型标签等；（4）公共场所：烟雾探测器等；（5）农业控制：收集各种土壤信息和气候信息；（6）医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关1、ZBRN1网关介绍HarmonyXB5RZBRN1作为发射器和PLC（可编程逻辑控制器）或支持ModbusTCP协议的所有工业PC（IT/OT盒）之间的中间设备运行，提供网络连接开放性，如图7.3所示。1—带有5个LED的四个7段显示符；2—电源LED；3¬¬—通讯LED；4—无线电信号强度LED；5—电源输入端子块；6—选装外部天线连接器；7—选装外部天线连接器的防护塞；8—插入的带有2个RJ45以太网连接器的ZBRCETH通讯模块；9—滚轮；10—SD存储卡插槽。2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关2、ZBRN1以太网通信ZBRN1通过ZBRCETH通信模块支持以太网ModbusTCP协议，可方便实现与PLC之间的通信，协议端口号为4840，ZBRN1IP配置参数主要有IP地址、子网掩码、网关等，其中IP地址分配可通过三种方法实现，通过DHCP（dynamichostcontrolprotocol，动态主机控制协议）服务器、通过BOOTP（bootstrapprotocol，bootstrap协议）服务器（BOOTP区）以及使用存储在闪存中的静态IP地址。在本实验中使用静态IP地址分配，手动设置ZBRN1的IP地址。ZBRN1通过ModbusTCP协议，ZBRN1HarmonyHub作为服务器，PLC为客户端，使用UID248或255访问Modbus/TCP寄存器（如输入寄存器）和占用时间，本例中使用UID为248。2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关3、ZBRN1的Modbus寄存器及相关命令

ZBRN1的Modbus寄存器所有地址都按IEC%MW标准格式表示。对于Modbus寄存器访问，每个地址增加1，所有使用的寄存器均为16位，输入通道寄存器如表7.2所示。针对按钮及限位开关的输入寄存器有4个，共0~59共60个输入通道，输入寄存器1至3对应0~47通道，输入寄存器4的前12位用来存储输入通道的状态，对应48~59通道，本实验中使用的按钮可使用0~59通道中的任意一通道。2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关3、ZBRN1的Modbus寄存器及相关命令

2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关4、Modbus功能码

Modbus功能码（十进制）命令01读取线圈03读取保持寄存器06写入单个寄存器16写入n个寄存器43读取设备标识2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关5、HarmonyHub用户界面HarmonyHub菜单结构如图7.6所示，有3种基本操作模式：就绪、配置、诊断，就绪模式，在就绪模式下，HarmonyHub接收来自发射器的输入信号；在配置模式，可对输入通道、通信等参数进行设置；在诊断模式下，可提供关于设备的各种设置和检测到的错误状态的信息，在本例中，主要掌握配置模式下各种参数的配置。2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关6、HarmonyHub滚轮操作2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关7、网关与无线发射器配对基础发射器类型如表7.6所示，本例中无线按钮可选择型号1或者6。2025/7/2313:287.2.3ZigBee网关7、网关与无线发射器配对基础配对模式:根据关联的发射器类型，有三种配对模式可用，如表7.7所示，本例中采用示教配对。2025/7/2313:287.3.1Zigbee网关配置任务要求：进行网关配置，实现无线按钮与网关通信，同时配置IP地址，为与PLC通信做准备。网关的配置菜单结构如图7.11所示，在配置模式下可进行输入配置、通信配置、射频配置及出厂配置等。2025/7/2313:287.3任务1Zigbee网关配置7.3.1IP配置7.3.2输入配置7.3.3无线按钮与网关通信调试7.3.1IP配置ZBRN1IP地址配置有DHCP模式、BOOTP模式、静态IP模式，如图7.12所示，各参数含义如表7.9所示。本例中使用静态IP模式，IP地址为192.168.12.13，子网掩码为255.255.255.0，网关地址为0.0.0.0，设置好后进行保存。7.3.2输入配置采用t示教模式添加类型1发射器的步骤如表7.10所示。7.3.3无线按钮与网关通信调试设置好网关的IP地址，并完成zigbee射频配对。在就绪模式下，当按下按钮，显示如图7.24所示，表明网关通过输入通道1可以接收到无线按钮信号。2025/7/2313:287.4任务2PLC及触摸屏编程与下载7.4.1PLC控制电机启停7.4.2PLC主站配置及程序设计7.4.3无线按钮控制电机启停测试2025/7/2313:287.4.1PLC控制电机启停参考项目4，进行PLC及触摸屏编程，实现可通过触摸屏控制电机的运行，如图7.15所示，首先变频器使能，设置好变频器工作频率，按下变频正转，此时电机正转，再此按下此按钮，变频器停止。同理进行变频器反转测试，系统工作正常。2025/7/2313:287.4.2PLC主站配置及程序设计1.PLCModbusTCP配置如图7.16所示，选择设备树，在工业以太网管理器菜单添加设备，添加设备名，在ModbusTCP从设备设备中others选择一般ModbusTCP从站，完成设备的添加。2025/7/2313:287.4.2PLC主站配置及程序设计1.PLCModbusTCP配置添加设备完成后，关闭添加设备对话框，在设备属种可看到添加的设备，如图7.17所示，双击添加的ZigBee设备，点击ModbusTCP从站配置，进行从站设备的IP配置，为ZBRN1的IP地址192.168.12.13。2025/7/2313:287.4.2PLC主站配置及程序设计1.PLCModbusTCP配置进行ModbusTCP通道配置，设置ModbusTCP通道名字，设置ZBRN1从站地址248，设置功能代码为03，可读保持寄存器，如图7.18所示。2025/7/2313:287.4.2PLC主站配置及程序设计1.PLCModbusTCP配置进行ModbusTCP从设备IO映射，如图7.19所示，设置变量的名字为ZigBee，其映射的ZBRN1输入通道为1，此值必须与射频按钮绑定的通道一致。2025/7/2313:287.4.2PLC主站配置及程序设计