基于ZigBee的工業(yè)現(xiàn)場遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計*

王晨康，趙曉軍，李瑞，張紅北

（河北大學電子信息工程學院，河北保定071000）

基于ZigBee的工業(yè)現(xiàn)場遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計*

王晨康，趙曉軍，李瑞，張紅北

（河北大學電子信息工程學院，河北保定071000）

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場領域的某些設備能否正常運轉(zhuǎn)受溫濕度的影響很大，為此提出了本設計方案。此套監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee無線傳感技術和無線WiFi設計的。系統(tǒng)的硬件結構包括ZigBee模塊、WiFi模塊和溫濕度傳感器模塊。上位機軟件程序是在vs2010平臺下由C#語言編寫，其中包括C/ S模式的后臺應用程序和B/S模式的前臺應用程序，整套系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個工業(yè)現(xiàn)場領域的實時溫濕度監(jiān)測，為設備的正常運轉(zhuǎn)提供了強有力的保障。

ZigBee；WiFi；溫濕度監(jiān)測；C#

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場的某些設備對溫濕度很敏感，一旦防護不利會造成重大的經(jīng)濟損失?；赯igBee的無線傳感技術具有低成本、低功耗、高可靠性、高安全性、低數(shù)據(jù)率以及全數(shù)字化等優(yōu)點，可以輕松地解決此方面的問題[1]。所以本設計采用固定ZigBee節(jié)點跟移動ZigBee節(jié)點相結合的方式來動靜結合地監(jiān)測整個工業(yè)現(xiàn)場領域，其中固定的節(jié)點就是在工業(yè)現(xiàn)場分布安裝ZigBee節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡的路由器部分，移動節(jié)點就是依靠智能電瓶車攜帶ZigBee節(jié)點并配備溫濕度傳感器來移動監(jiān)測現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)給固定的ZigBee節(jié)點，最后通過無線WiFi發(fā)給服務器，監(jiān)控終端登錄服務器實時監(jiān)測現(xiàn)場各區(qū)域的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，從而確保設備正常運轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)總體框架

整套系統(tǒng)包括3大部分：現(xiàn)場ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡、WiFi/ZigBee網(wǎng)關和監(jiān)控終端?？傮w結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結構圖

現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡包括固定的ZigBee節(jié)點組成的靜態(tài)網(wǎng)絡和智能電瓶車（配備ZigBee移動節(jié)點及溫濕度傳感器）實現(xiàn)的移動網(wǎng)絡。路由節(jié)點組成中間傳輸線路負責把這些數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器[2]。網(wǎng)關負責把ZigBee協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)傳到確定地址的服務器上。服務器上的數(shù)據(jù)有很多種，除溫濕度數(shù)據(jù)外，還有各個ZigBee節(jié)點的分布及工作情況等，所以監(jiān)控終端需要分類，然后存儲到數(shù)據(jù)庫中，最終監(jiān)控終端通過B/S模式的前臺服務網(wǎng)站調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控整個工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度情況。一旦出現(xiàn)不良情況可以及時采取相應補救措施。

2 ZigBee工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡設計

2.1 ZigBee無線通信技術

ZigBee技術是近幾年發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術。它具有成本低、功耗低、便于應用、速率低、時延短、免許可無線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、可靠數(shù)據(jù)傳輸性、網(wǎng)絡容量大、自配置、三級安全模式等特性，以2.4 GHz為主要頻段，適合小數(shù)據(jù)流的傳輸[2]。整個ZigBee無線網(wǎng)絡包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準[3]。

2.2 ZigBee節(jié)點硬件設計

TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee網(wǎng)絡的核心，網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點以及終端采集節(jié)點全部采用此芯片。終端節(jié)點需要在CC2530的最小電路上接上各種傳感器，用來采集現(xiàn)場的各種環(huán)境數(shù)據(jù)。結構如圖2所示。

圖2 ZigBee硬件結構圖

2.3 ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡設計

ZigBee網(wǎng)絡覆蓋整個工業(yè)現(xiàn)場領域，并且在ZigBee網(wǎng)絡中只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，但是有多個路由器，該協(xié)調(diào)器和路由器全部為全功能器件。網(wǎng)絡中的終端采集節(jié)點使用的是簡約功能器件。ZigBee無線網(wǎng)狀網(wǎng)擁有多個高級冗余的通信路徑，如果其中一條路徑中斷，網(wǎng)狀網(wǎng)會自動選擇其中最短的一條路徑維持正常通信，這就在很大程度上提高了連接的質(zhì)量[4]。為了確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，只需把ZigBee路由節(jié)點放置得更密集一些。為了預防各個終端節(jié)點出現(xiàn)異常情況而不被發(fā)現(xiàn)，所有終端節(jié)點每隔1 min向離其最近的路由節(jié)點發(fā)送一次信息，與此同時各個路由節(jié)點實時地監(jiān)聽其周圍終端節(jié)點的信息，如果5次監(jiān)聽不到某個終端節(jié)點的信息，就默認此節(jié)點發(fā)生故障，即刻向上級協(xié)調(diào)器發(fā)送故障警報[2]。網(wǎng)絡建立過程如圖3所示。

2.4 ZigBee移動網(wǎng)絡設計

圖3 ZigBee網(wǎng)絡構建流程圖

現(xiàn)場移動網(wǎng)絡依靠智能電瓶車配備ZigBee終端節(jié)點并攜帶溫濕度傳感器來實現(xiàn)對現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)的移動監(jiān)測。把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee路由節(jié)點，配合現(xiàn)場的ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡來全方位地監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場。此處采用信號能量強度檢測的方法來確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的不失真和連續(xù)性。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧定義，ZigBee網(wǎng)絡中的芯片定位就是采用信號強弱測定的方法，在每次通信過程中接收方都能根據(jù)接收到的信號強度值RSSI和LQI來定位計算信號點與接收點之間的距離[5]。Zig-Bee網(wǎng)絡中的路由節(jié)點實時監(jiān)聽移動節(jié)點，并根據(jù)移動節(jié)點廣播的RSSI和LQI來進行定位計算，與預先設定好的路由節(jié)點的最大門限值R SSI（Max）和LQI（Max）進行比較。如果連續(xù)3次都比預先設定的門限值大，則該路由節(jié)點馬上查找其相鄰的路由表。如果在相鄰的路由表中查不到該移動節(jié)點，則立即判斷此節(jié)點為新進入網(wǎng)絡的節(jié)點，并且馬上把此節(jié)點注冊為新的子節(jié)點并及時通知該移動子節(jié)點解除與原父節(jié)點的關聯(lián)[5]。從而保證了網(wǎng)絡在切換中的正常通信。移動節(jié)點切換接入流程如圖4所示。

圖4 移動節(jié)點切換接入流程

3 ZigBee/W iFi網(wǎng)關設計

ZigBee/WiFi網(wǎng)關的功能就是把監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端的服務器上，網(wǎng)關的硬件結構包括ZigBee模塊、WiFi模塊。ZigBee模塊與WiFi模塊之間通過RS232進行互聯(lián)通信，其硬件結構如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)關硬件結構

TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee模塊的核心器件，它的外圍設備具有一個RS232接口和4個按鍵。在WiFi模塊內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議棧并且符合無線網(wǎng)絡協(xié)議IEEE802.11b/g標準，它通過R S232接口與ZigBee模塊進行互聯(lián)通信。利用DC-DC轉(zhuǎn)換器把電源模塊的5 V輸出電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，使WiFi模塊和Zig-Bee模塊正常工作。ZigBee節(jié)點把接收到的現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成UART數(shù)據(jù)，再通過R S232接口與WiFi連接，由WiFi模塊把接收到的數(shù)據(jù)進行解析處理，然后把處理完的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WiFi信號傳送出去。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸作為下行數(shù)據(jù)，WiFi網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)作為上行數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，經(jīng)處理后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給WiFi模塊以無線的形式傳送至遠端的網(wǎng)絡服務器中[6]。其中工作流程圖如圖6所示。

圖6 工作流程圖

4 系統(tǒng)上位機軟件設計

在vs2010平臺下用C#語言編寫系統(tǒng)上位機的軟件程序，其結構組成如圖7所示[7]。B/S模式的前臺網(wǎng)頁服務程序由3部分組成，即：系統(tǒng)登錄界面程序、系統(tǒng)監(jiān)測界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序。對登錄的用戶采取權限處理，權限不同登錄的界面不同，進而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺服務程序，通過Socket通信與WiFi進行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過SQL語句把從服務器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行進一步加工，生成可視化內(nèi)容供用戶參考，進而做出相應的決策。

圖7 上位機結構

5 實驗結果

實驗中分布安裝了10個固定的ZigBee節(jié)點來構建靜態(tài)網(wǎng)絡以傳輸數(shù)據(jù)，智能電瓶車配備溫濕度傳感器采集現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)。智能電瓶車上的ZigBee節(jié)點把采集到的數(shù)據(jù)結果傳給ZigBee網(wǎng)絡中的路由節(jié)點進而上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器，然后把接收到數(shù)據(jù)傳給WiFi/ZigBee網(wǎng)關，最終WiFi網(wǎng)關把數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換后上傳到監(jiān)控室的網(wǎng)絡服務器上，從而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)測。監(jiān)控終端的監(jiān)測結果如圖8所示。

圖8 監(jiān)測結果

6 結論

本設計實現(xiàn)了現(xiàn)場溫濕度的監(jiān)測，并且通過ZigBee網(wǎng)絡及WiFi/ZigBee網(wǎng)關把監(jiān)測結果發(fā)給服務器，實現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)聯(lián)合，最終把結果顯示在前臺界面上，實現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場溫濕度的實時監(jiān)測，為設備的正常運行提供了有力的保障。

[1]祝曉東，肖四友．ZigBee技術在無線溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用研究[J]．計算機應用系統(tǒng)，2007（12）：82－85．

[2]趙曉軍，溫丁一，申軍濤，等.基于ZigBee的遠程濕地監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]．電視技術，2014，38（5）：124-127.

[3]胡占報.ZigBee技術及在無線抄表中的應用[D].天津：河北工業(yè)大學，2007.

[4]陶曉玲，黃廷磊，王勇．ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)技術探討[J]．廣西師范學院學報：自然科學版，2006，23（3）：67-71．

[5]劉騫，孫懋珩．ZigBee網(wǎng)絡移動節(jié)點接入與切換機制仿真分析[J]．計算機與現(xiàn)代化，2008（1）：60－62．

[6]杜永慧，李允俊.ZigBee和WiFi的雙模無線網(wǎng)關設計[J].單片機與嵌入式技術應用，2013（9）：39-45.

[7]明日科技．C#程序開發(fā)范例寶典[M]．北京：人民郵電出版社，2007.

The industrial field remote monitoring system based on ZigBee

Wang Chenkang，Zhao Xiaojun，Li Rui，Zhang Hongbei
(College of Electronic and Information Engineering，Hebei University，Baoding 071000，China)

Some device′s operation in the field of modern industrial areas is affected greatly by temperature and humidity.So，we propose this design.The design of this monitoring system is based on ZigBee wireless sensor technology and wireless WiFi.The hardware structure of the system includes ZigBee module，WiFi module，temperature and humidity sensor module.The upper computer software is programmed by C#under VS2010 platform，including the C/S mode background applications and the B/S mode foreground application.The entire system realizes real-time temperature and humidity monitoring of the entire industrial site.It provided a strong guarantee for the normal operation of devices.

ZigBee；WiFi；temperature and humidity monitoring；C#

TP89

A

1674-7720（2015）09-0015-03

2015-03-03）

王晨康（1990-），男，在校學生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

河北省科學技術研究與發(fā)展計劃項目（10203549D）;河北省教育廳科學研究計劃項目（Z2011252）

趙曉軍（1965-），男，教授，主要研究方向：工業(yè)機器人、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)。