基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉峰，陳海軍，佟強(qiáng)，郭磊

（軟控股份有限公司信息物流系統(tǒng)事業(yè)部，山東 青島 266045）

基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉峰，陳海軍，佟強(qiáng)，郭磊

（軟控股份有限公司信息物流系統(tǒng)事業(yè)部，山東 青島 266045）

針對(duì)輪胎企業(yè)成型車間溫濕度監(jiān)控需求，提出了一種新穎系統(tǒng)解決方案。通過采用最新的zigbee技術(shù)和高精度溫濕度傳感器SHT21，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)級(jí)車間內(nèi)部溫濕度信息的集中監(jiān)控管理。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、易于組網(wǎng)，為企業(yè)提升產(chǎn)品品質(zhì)、降低能源消耗、深化工藝控制創(chuàng)造了條件。

溫濕度監(jiān)控；Zigbee；無線通訊；SHT21

在輪胎成型工序，車間溫濕度是一項(xiàng)重要的環(huán)境變量，對(duì)輪胎的品質(zhì)有著重大影響，隨著“數(shù)字化車間”和“智慧工廠”的推進(jìn)，傳統(tǒng)的在車間中部位置放置1套溫室傳感器和LED屏幕進(jìn)行溫濕度采集顯示的方式已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代輪胎生產(chǎn)工藝控制的需求，網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)才能更好的滿足生產(chǎn)的需要。本文設(shè)計(jì)的基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，采用高精度超小體積的溫濕度數(shù)字傳感器SHT21，運(yùn)用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，達(dá)到了對(duì)整個(gè)車間的多個(gè)溫濕度采集點(diǎn)的靈活布置和組網(wǎng)通訊控制、對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性采集的目的，配合系統(tǒng)的報(bào)警提示功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車間溫濕度可視化監(jiān)控，使之保持在工藝要求的可允許范圍內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗的目的［1］。

1 系統(tǒng)組成及其工作原理

該系統(tǒng)主要是通過底層分布式溫濕度采集終端對(duì)信息的實(shí)時(shí)采集和控制傳輸，完成車間溫濕度信息歸集功能，經(jīng)企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，企業(yè)管理者就可對(duì)本企業(yè)、本車間的溫濕度信息情況進(jìn)行很好的掌控，上位機(jī)的分析決策系統(tǒng)根據(jù)該信息進(jìn)行啟動(dòng)或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備的操作，最終保證車間溫濕度值保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的溫濕度系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由底層溫濕度采集終端、網(wǎng)絡(luò)通訊采集設(shè)備和上位機(jī)管理系統(tǒng)平臺(tái)三部分組成，溫濕度采集終端分散安裝在車間內(nèi)預(yù)定的位置，功能是采集當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息，網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備主要是將車間內(nèi)分散的信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)高效、完整的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)內(nèi)，上位機(jī)管理系統(tǒng)平臺(tái)主要是對(duì)采集到的信息進(jìn)行展示和綜合分析并形成決策。

在本系統(tǒng)中，溫濕度采集終端和集中器之間的通訊采用Zigbee的方式，該方式通訊效率高且穩(wěn)定可靠，易于分散安裝，集中器和上位機(jī)系統(tǒng)之間的通訊采用光纖以太網(wǎng)或GPRS的方式，該系統(tǒng)的工作原理為：溫濕度采集終端采集各采集區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息并進(jìn)行顯示、判斷和記錄，當(dāng)該點(diǎn)溫濕度信息高于或低于設(shè)定值時(shí)做出報(bào)警指示并對(duì)該報(bào)警信息進(jìn)行記錄；集中器主要是對(duì)溫濕度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和告警信息讀取并傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)底層各分散采集終端的控制命令；上位機(jī)根據(jù)集中器上傳的車間內(nèi)各采集點(diǎn)的溫濕度信息進(jìn)行綜合分析，依據(jù)設(shè)定值和內(nèi)部算法做出相應(yīng)的控制指令來調(diào)節(jié)車間內(nèi)的溫濕度值，形成一個(gè)大的閉環(huán)系統(tǒng)，最終使車間溫濕度值保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件電路主要由微處理器、電源電路、通訊電路、存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、鍵盤輸入電路等組成，系統(tǒng)原理框圖如圖2和圖3所示。

2.1 微控制器電路

圖2 溫濕度終端原理框圖

微控制器是溫濕度采集終端和溫濕度集中器的核心單元，主要完成程序調(diào)用、數(shù)據(jù)處理及判斷、數(shù)據(jù)采集上傳等功能，選用的高性能的工業(yè)級(jí)32位RISC處理器AT91SAM7X256。它的工作電壓范圍為2.7～5.5V，可以很好的和其他器件兼容，具有1個(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)時(shí)間窗看門狗定時(shí)器、3個(gè)串行通訊USART接口、2個(gè)SPI通訊接口 和1個(gè)兩線串行接口TWI，同時(shí)具有13個(gè)外圍數(shù)據(jù)DMA控制器通道，可以很方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它可以為嵌入式控制提供靈活、高性價(jià)比的方案，特別適合用到以太網(wǎng)、Zigbee無線通信領(lǐng)域的場(chǎng)合，因此選用AT91SAM7X256作為本系統(tǒng)的微控制器。

2.2 溫濕度檢測(cè)電路

圖3 集中器終端原理框圖

本單元是整個(gè)系統(tǒng)的感知環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)關(guān)鍵部分，溫濕度檢測(cè)的核心是傳感器的選型及應(yīng)用。本系統(tǒng)選用Sensirion公司的高精度、低功耗、超小體積的精密溫濕度傳感器SH21，在20%～80% RH的濕度范圍內(nèi)該傳感器的典型濕度精度±2%RH，在25～42 ℃溫度范圍內(nèi)該傳感器的溫度精度±0.3 ℃。SHT21 采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C 協(xié)議進(jìn)行通訊，采用雙側(cè)無引腳扁平封裝結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)［2］，功能電路圖如圖4所示。

在上述電路中，U5是溫濕度傳感器芯片SHT21，R17、R18是上拉電阻，目的是為了避免信號(hào)沖突，C5是去耦合電容。

圖4 溫濕度檢測(cè)電路

2.3 Zigbee通訊電路

Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個(gè)溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以方便靈活的進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)選用美國(guó)CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個(gè)含有基帶modem的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器（帶有內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器）組成［3］，功能電路圖如圖5所示。

圖5 zigbee通訊電路

在該電路中，U4是zigbee模塊zicm2410，DS1、DS2、DS3是zigbee通訊的三個(gè)狀態(tài)指示燈，R21、R22、R23是三個(gè)指示燈的限流電阻；C6、C7、C8、C9是輸入電源的濾波電容，用于給U4提供一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓。

2.4 繼電器控制電路

該部分電路是控制輸出的執(zhí)行部分，當(dāng)溫濕度采集終端采集到的本地溫濕度值不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，給出一個(gè)聲光報(bào)警信息，用于提示相關(guān)人員做相關(guān)操作。本系統(tǒng)中采用的繼電器是磁保持繼電器，和一般繼電器相比具有功耗低、負(fù)載能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)中選用的型號(hào)是廈門宏發(fā)電聲股份有限公司的磁保持繼電器HEF7，功能電路圖如圖6所示。

圖6 繼電器控制電路

在該電路中，Q1、Q2是可控開關(guān)，電阻R10、R11是限流電阻，用于降低三極管Q1和Q2的功耗，R5、R6是為讓Q1、Q2可靠截止而設(shè)置的，R3、R4是為調(diào)整Q1和Q2的放大倍數(shù)而設(shè)置的，在應(yīng)用中其阻值可靈活進(jìn)行調(diào)整以滿足系統(tǒng)需要，D1、D2是反向續(xù)流二極管，用于抑制浪涌，保護(hù)繼電器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)軟件部分的高效率和高可靠性，本系統(tǒng)采用可移植性和表達(dá)運(yùn)算能力強(qiáng)的C 語(yǔ)言作為程序語(yǔ)言，同時(shí)采用模塊化編程思想，將一個(gè)大的程序分成若干個(gè)小的功能模塊，各個(gè)功能模塊程序單獨(dú)設(shè)計(jì)，做好程序接口，最后在主函數(shù)中進(jìn)行調(diào)用，最終形成一個(gè)整體［4］，系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。

圖7 終端軟件流程圖

溫濕度采集終端的程序編制采用了前后臺(tái)系統(tǒng)，充分應(yīng)用了中斷處理來響應(yīng)外部命令，主要包含主函數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)函數(shù)、時(shí)間中斷處理函數(shù)、接收中斷處理函數(shù)、顯示函數(shù)等功能模塊。系統(tǒng)上電開始初始化，主程序完成初始化后等待中斷的發(fā)生，通過對(duì)中斷標(biāo)志位的判斷進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的處理程序進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面圖8所示。

4 結(jié)論

圖8 車間溫濕度上位機(jī)監(jiān)控界面

本文設(shè)計(jì)的基于zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過應(yīng)用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新型高精度溫濕度傳感器SHT21，解決了車間內(nèi)部布線繁瑣、布置點(diǎn)數(shù)受限制、信息不聯(lián)網(wǎng)、溫濕度信息可視化弱等問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)級(jí)車間內(nèi)部溫濕度信息的集中監(jiān)控管理，為企業(yè)提升產(chǎn)品品質(zhì)、降低能源消耗、深化工藝控制等創(chuàng)造了條件。實(shí)驗(yàn)表明，該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、布置組網(wǎng)方便，在實(shí)際系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 武鋒波， 強(qiáng)云霄. 基于zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2008，38（5）:731～734.

［2］ Datasheet SHT21 Humidity and Temperature Sensor.2010.

［3］ ZICM2410模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)V1.01. 2010.

［4］ 李玉峰. 基于MSP430的預(yù)付費(fèi)智能熱量表研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2010: 43～44.

ZIGBEE based temperature and humidity control system design for tire molding workshops

ZIGBEE based temperature and humidity control system design for tire molding workshops

Li Yufeng, Chen Haijun, Tong Qiang, Guo Lei

(Information Logistics System Division, Mesnac, Qingdao 266045, Shandong, China)

For temperature and humidity monitoring requirements in molding workshop of tire companies, this paper proposes an innovative system solution. By using the latest zigbee technology and high-precision temperature and humidity sensors SHT21, the system enables centralized monitoring and management of enterprise-level workshop internal temperature and humidity information. Validated, the system is reliable, easy to network, and it creates the conditions for improving product quality, reducing energy consumption, and deepening the process control.

temperature and humidity control; Zigbee; wireless communication; SHT21 （R-01）

TQ330.493

1009-797X（2015）23-0038-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.010

李玉峰（1984-），男，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事儀器、儀表的設(shè)計(jì)及嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，已發(fā)表論文6篇。

2014-03-14