基于ZigBee和WLAN技術(shù)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)

秦國輝，王鋼，王玉鵬，周闖，羅向東

（1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150086；2.黑龍江省科學(xué)院，哈爾濱150001）

基于ZigBee和WLAN技術(shù)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)

秦國輝1，王鋼2，王玉鵬1，周闖1，羅向東1

（1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱150086；2.黑龍江省科學(xué)院，哈爾濱150001）

針對厭氧發(fā)酵中試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控需要，本文設(shè)計了一種基于ZigBee和WLAN技術(shù)的中試厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)。其中，以ZigBee技術(shù)為核心的底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)負責(zé)數(shù)據(jù)與命令的傳輸；以WLAN技術(shù)為核心的局域網(wǎng)絡(luò)負責(zé)視頻傳輸與互聯(lián)網(wǎng)接入功能，將發(fā)酵數(shù)據(jù)及視頻傳輸至指定計算機，實現(xiàn)厭氧發(fā)酵過程的實時檢測與監(jiān)控管理，形成實時集中管理的信息化應(yīng)用系統(tǒng)。

ZigBee；WLAN；厭氧發(fā)酵；監(jiān)控系統(tǒng)

厭氧發(fā)酵技術(shù)不但能夠有效消除農(nóng)業(yè)有機廢物、工業(yè)有機廢物以及城市生活垃圾等污染，而且能夠發(fā)掘有機廢物中含有的大量可利用生物能源。由于應(yīng)用于厭氧發(fā)酵探索的中試系統(tǒng)普遍存在可擴展性差、缺少統(tǒng)一管理平臺和視頻監(jiān)測、信息無法共享等缺點［1］。因此，需要發(fā)展一種自動化程度高、安全可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量新技術(shù)。其中，基于Wi-Fi（IEEE 802.11）標準的WLAN具有價格低廉、占有率高等優(yōu)勢，主要服務(wù)于計算機上網(wǎng)應(yīng)用模式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［2］；短程、低速率無線傳感和控制應(yīng)用的ZigBee協(xié)議具有復(fù)雜度低、成本低、功耗低、延遲短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全性高等諸多優(yōu)點，主要應(yīng)用于儀器設(shè)備互聯(lián)與控制服務(wù)［3］。ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的日趨成熟為構(gòu)建互聯(lián)互通、可擴展性好的遠程智能監(jiān)控平臺提供了技術(shù)支撐。

為了更詳細與深入的研究、分析和驗證厭氧發(fā)酵技術(shù)，本文設(shè)計了基于ZigBee與WLAN技術(shù)構(gòu)成的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)。它充分利用了大數(shù)據(jù)量、高速率的多媒體壓縮碼流與小數(shù)據(jù)量、低速率的監(jiān)控信號，結(jié)合了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性、經(jīng)濟性和可靠性，實現(xiàn)了遠程智能監(jiān)控。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Monitor system structure

該系統(tǒng)主要由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控單元三部分組成。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由低功耗傳感器節(jié)點與中繼單元組成，每個傳感器節(jié)點經(jīng)由ZigBee收發(fā)單元與中繼單元通信，返回采集數(shù)據(jù)或響應(yīng)控制指令?；赪LAN構(gòu)建的視頻網(wǎng)絡(luò)由視頻傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點進行視頻碼流的采集、壓縮處理和傳輸視頻。監(jiān)控單元負責(zé)遠程監(jiān)控、報警信息發(fā)布、數(shù)據(jù)存儲等。科研人員既可以采用計算機作為客戶端接，也可以隨時隨地通過移動通信設(shè)備訪問監(jiān)控單元獲取發(fā)酵數(shù)據(jù)與圖像。

2　ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)

基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee技術(shù)是一種低功耗和成本的雙向無線通信協(xié)議[4]。它是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景，擁有眾多其他技術(shù)不具備的特點，在本文設(shè)計的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)中，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，成本低：ZigBee協(xié)議簡單，大大降低了系統(tǒng)組網(wǎng)與維護成本。

第二，安全性高：ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查，確保數(shù)據(jù)收發(fā)準確。

第三，頻率靈活：依據(jù)環(huán)境選用2.4GHz、868MHz或915MHz等免執(zhí)照頻率段。

第四，網(wǎng)絡(luò)容量大：單個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多支持255個接入設(shè)備［5］。

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用簡單、穩(wěn)定星型拓撲建立。中繼單元實現(xiàn)底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的信息交流、維護和協(xié)商功能。ZigBee收發(fā)單元具有安裝方便、維護簡單和運行穩(wěn)定等特點，負責(zé)處理數(shù)據(jù)并與中繼單元進行交流。當定時測量或事件觸發(fā)時，喚醒ZigBee收發(fā)單元的休眠模式發(fā)送數(shù)據(jù)，將功耗降至最低。在通信過程中，發(fā)送數(shù)據(jù)前必須偵聽信道，若信道處于繁忙狀態(tài)時，則等待下一個時間再一次偵聽，若信道處于空閑時，則發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2ZigBee收發(fā)單元

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure

ZigBee收發(fā)單元采用模塊化方法設(shè)計，分為傳感器輸入單元、控制輸出單元、微處理器單元、無線通信單元與電源供給單元，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，處理器單元采用Silicon Laboratories公司設(shè)計的C8051F340單片機，內(nèi)置4個計數(shù)器/定時器、2個可擴展配置的全雙工UART、4K字節(jié)內(nèi)部RAM與40個I/O接口，相比通用的8051結(jié)構(gòu)具有更快的指令執(zhí)行速度。無線通信單元采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420芯片，與單片機通過SPI接口進行設(shè)置和數(shù)據(jù)收發(fā)，其設(shè)計技術(shù)指標超過了IEEE802.15.4標準要求，更好地保證短距離通信的有效性和可靠性。傳感輸入單元依據(jù)系統(tǒng)接入類型進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。控制輸出單元依據(jù)接入設(shè)備的驅(qū)動類型實現(xiàn)二次繼電器、電流或電壓的輸出。電源單元除了提供5VDC、24VDC、220VAC電源外，還設(shè)有電池供電電路。

2.3中繼單元

本文設(shè)計的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)僅有一個中繼單元，作為接收各從站節(jié)點數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳輸給WLAN網(wǎng)絡(luò)的工具，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　中繼單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Relay unit block

從圖中可以看出，基站由微處理器、顯示模塊、ZigBee收發(fā)模塊、存儲模塊、串口模塊以及LAN接口模塊等組成。主要完成如下功能：

第一，利用無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊接收各個從站節(jié)點發(fā)送的采集數(shù)據(jù)。

第二，建立局域網(wǎng)，連接互聯(lián)網(wǎng)，通過遠程監(jiān)控單元對數(shù)據(jù)進行分析處理。

第三，通過遠程監(jiān)控單元實時修改各節(jié)點的設(shè)置參數(shù)及輸出狀態(tài)。

其中，微處理器采用C8051F340器件作為主運算CPU；顯示模塊采用串口智能顯示模塊EzUIV10_070K，觸摸屏為7.0英寸彩色TFT顯示屏，內(nèi)置有256M資源存儲器；存儲模塊采用存儲芯片24c512，它是電擦除可編程串行存儲器，具有體積小、專用I/O口少、價格低廉、電路簡單等優(yōu)點；LAN接口模塊搭載ARM處理器，集成了TCP/IP協(xié)議和10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，將TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP數(shù)據(jù)包與RS232接口數(shù)據(jù)實現(xiàn)透明傳輸?shù)脑O(shè)備，模塊體積小巧，功耗低。

2.4軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序以C語言設(shè)計為主，它結(jié)合了高級編程語言的優(yōu)點與匯編語言空間小、運行速度快等的特點，擁有突出的表達運算能力、可讀性和可移植性，具有高效的指令執(zhí)行效率，其開發(fā)環(huán)境采用Silicon Laboratories IDE。程序采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)與流程通過主程序、子程序和子過程等框架描述，并且定義了各個框架間的聯(lián)系，簡化程序的開發(fā)、調(diào)試和維護。首先定義RAM區(qū)的變量數(shù)據(jù)，之后完成C8051F340單片機、串口智能顯示模塊與ZigBee收發(fā)模塊等器件的初始化，然后依據(jù)系統(tǒng)規(guī)定的工作順序與狀態(tài)依次執(zhí)行相關(guān)子程序，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、顯示與輸入、傳感器數(shù)據(jù)的采集、分析與判斷等功能。

3　WLAN網(wǎng)絡(luò)

擁有無線路由網(wǎng)橋的視頻傳感器與中繼單元構(gòu)成了WLAN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了厭氧發(fā)酵的過程變量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場運行視頻的遠程監(jiān)控。其中，厭氧發(fā)酵中試現(xiàn)場的視頻與音頻模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻、音頻信號，送至視頻與音頻處理器產(chǎn)生符合MPEG_4H．264標準的壓縮音視頻碼流，然后存儲于擁有專用的FLASH、以太網(wǎng)接口的SDRAM中。此外，通過USB接口連接的移動硬盤、U盤可以作為音視頻流、傳感數(shù)據(jù)及報警信息的存儲設(shè)備。基于UART接口擴展的RS-485和RS-232接口簡化系統(tǒng)的云臺調(diào)試和控制。

4　結(jié)語

本文設(shè)計的基于ZigBee和WLAN技術(shù)的中試沼氣發(fā)酵監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用了ZigBee和WLAN技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建了集合音視頻監(jiān)測、傳感器參數(shù)讀取與設(shè)備狀態(tài)控制等功能的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了計算機或移動通信設(shè)備實時監(jiān)控運行狀態(tài)、查看歷史記錄與接收報警信息等，實現(xiàn)了遠程智能監(jiān)控，提高了厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度、可擴展性、經(jīng)濟性與可靠性，確保了沼氣發(fā)酵科研實驗的順利進行。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2007：128-157．

［2］段水福，歷曉華.無線局域網(wǎng)（WLAN）設(shè)計與實踐［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，2007：3-15．

［3］朱向軍，應(yīng)亞萍.基于ZigBee和WLAN的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電信科學(xué)，2009，（06）：45-50．

［4］李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進展［J］.計算機研究與發(fā)展，2008，45（1）：1-15．

［5］童曉渝.新一代移動融合網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2012：38-39.

Pilot Monitoring System Based on ZigBee and WLAN Technology in Anaerobic Fermentation

QINGuo-hui1,WANGGang2,WANGYu-peng1,ZHOUChuang1,LUOXiang-dong1
(1.Energyand Environment Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150086,China；
2.HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150001,China）

In view of the need of data transmission and monitoring in anaerobic fermentation,this paper designs a pilot anaerobic fermentation monitoringsystembased on ZigBee and WLANtechnology.Amongthem,the underlyingwireless sensor network on the ZigBee technology is used as the core responsible for the command and data transmission.Local area network is responsible for the video transmission and Internet access with WLAN technology as the core.The fermentation data and video is transmitted to the designated computer.Achieve real time detection and monitoringmanagement ofanaerobic fermentation process.Real-time information application systemofcentralized management is developed.

ZigBee;WLAN;Anaerobic fermentation;Monitoringsystem

TK6

A

1674-8646（2015）09-0010-03

2015-05-24

秦國輝（1982-），男，遼寧丹東人，碩士，助理研究員，從事智能控制研究。