基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

劉海杰

(河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院唐山分院，河北 唐山 063000)

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，可建立物與物、物與人的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)泛在感知，支持機器自動識別，提升自動化監(jiān)控水平和效率。筆者設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，通過組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集工廠運行中設(shè)備及環(huán)境所產(chǎn)生的信號，并傳遞給本工位的智能交互終端，交互終端具有本地監(jiān)控的功能，且可作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器供遠程用戶訪問，為工作人員進行現(xiàn)場管控提供快捷、便利的多重交互方式。

1 工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)大致分為三部分。一是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分，主要應(yīng)用ZigBee技術(shù)和ZigBee協(xié)議棧進行開發(fā)[1]，實現(xiàn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸。二是本地端部分，即應(yīng)用C語言和界面開發(fā)工具GTK+在嵌入式開發(fā)板上實現(xiàn)本地客戶端的開發(fā)。本地端主要實現(xiàn)ZigBee采集數(shù)據(jù)的處理和顯示，以及通過攝像頭實現(xiàn)對工廠環(huán)境的監(jiān)控。三是網(wǎng)絡(luò)端的開發(fā)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的前端技術(shù)、HTML超文本標(biāo)記、JavaScript腳本及服務(wù)器端的CGI開發(fā)，實現(xiàn)服務(wù)器與客戶端瀏覽器的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)在客戶端瀏覽器上顯示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及對工廠內(nèi)部設(shè)備的管理，完成對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的原理框圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點組成[2]。其中協(xié)調(diào)節(jié)點應(yīng)用ZigBee無線通信協(xié)議組建及管理網(wǎng)絡(luò)。

2.1 終端節(jié)點

系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個ZigBee終端節(jié)點均包括無線數(shù)傳模塊和控制接口部分[3]。無線數(shù)傳模塊主要負責(zé)ZigBee信號的無線收發(fā)，實現(xiàn)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)通信。不同類型終端節(jié)點的無線數(shù)傳模塊電路相同，而接口電路卻有差別。本系統(tǒng)的接口電路主要用于驅(qū)動溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、振動傳感器、液位傳感器以及繼電器控制模塊，用于感知工廠設(shè)備及環(huán)境信息。由于各終端節(jié)點布放位置不同，故其攜帶不同的傳感器，各節(jié)點協(xié)同工作。終端節(jié)點1的溫濕度傳感器和紅外人體傳感器HC-SR501的數(shù)據(jù)引腳分別連接CC2530的P0_4和P0_7；終端節(jié)點2的振動傳感器SW-18010P的DO引腳和液位傳感器的D引腳分別連接CC2530的P0_6和P0_7；終端節(jié)點3的CC2530 P0_6引腳連接煙霧傳感器和P0_5引腳用于繼電器控制。

2.2 協(xié)調(diào)節(jié)點

協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心，負責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、管理以及來自終端節(jié)點數(shù)據(jù)的匯集與處理。本設(shè)計針對管控系統(tǒng)硬件要求具有易開發(fā)、低功耗、低成本的特點，因此協(xié)調(diào)節(jié)點和終端節(jié)點均采用CC2530射頻芯片作為ZigBee芯片。CC2530采用無線SOC(System On Chip)設(shè)計，系統(tǒng)所需的一般電路都已集成在芯片內(nèi)部，只需簡單外圍電路即可實現(xiàn)信號收發(fā)功能[4]。

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器通過串口與智能交互終端相連，并通過串口通信與交互終端進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，主要是向客戶端發(fā)送終端節(jié)點上傳來的數(shù)據(jù)信息，并接收來自交互終端的控制信號。協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

2.3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是組建網(wǎng)絡(luò)和維護網(wǎng)絡(luò)，對節(jié)點進行綁定，進行數(shù)據(jù)的接收，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，工作流程如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程

2.3.2 終端節(jié)點的軟件設(shè)計

終端節(jié)點需定時采集工廠環(huán)境及設(shè)備數(shù)據(jù)并發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，其工作流程如圖4所示。其步驟是節(jié)點初始化，嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，進入網(wǎng)絡(luò)后等待中斷指令，當(dāng)Sensor收到外部中斷指令時，等待Sensor數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送完數(shù)據(jù)后Sensor進入休眠狀態(tài)，等待下一次的中斷請求。

圖4 終端節(jié)點的工作流程

2.3.3 程序設(shè)計

整個程序的設(shè)計考慮了以下三個部分：第一，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對傳感器的驅(qū)動；第二，傳感數(shù)據(jù)的采集；第三，終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。

程序的設(shè)計以數(shù)據(jù)傳輸為主線，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分為上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。上行數(shù)據(jù)主要用于實時數(shù)據(jù)和報警信息的采集，而下行數(shù)據(jù)則是針對報警信息而發(fā)送的控制指令。SampleApp_Init()初始化函數(shù)主要對終端節(jié)點的外部設(shè)備進行一些初始化操作，如對連接傳感器的接口做輸入輸出的配置。

(1)上行數(shù)據(jù)的發(fā)送。上行數(shù)據(jù)(繼電器節(jié)點除外)用SampleApp_Send_P2P_Message()函數(shù)打包傳輸，并在函數(shù)中調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)，然后將數(shù)據(jù)保存到全局變量里，并調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

(2)上行數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)后，協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收到該數(shù)據(jù)，并調(diào)用處理消息的函數(shù)SampleApp_MessageMSGCB()，其中對應(yīng)簇ID為SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID，然后對數(shù)據(jù)進行處理，并將接收到的數(shù)據(jù)通過HalUARTWrite()函數(shù)串口傳到交互終端。

(3)下行數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)按下協(xié)調(diào)器的S1按鍵時產(chǎn)生中斷信號，用SampleApp_SendPeriodicMessage()這個函數(shù)處理中斷信息。通過AF_DataRequest()函數(shù)，將命令發(fā)給繼電器終端節(jié)點。

(4)下行數(shù)據(jù)的接收。下行數(shù)據(jù)主要由協(xié)調(diào)器控制繼電器，通過終端處理函數(shù)SampleApp_HandleKeys()來控制繼電器的功能。

3 本地端的設(shè)計

以工位為單元使用智能交互終端，以Arm(S5PV210)嵌入式開發(fā)板作為開發(fā)平臺，在Linux系統(tǒng)中進行本地端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端的開發(fā)，采用觸摸屏提供交互式操作，本地端負責(zé)感知數(shù)據(jù)的處理、顯示。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能，負責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接，響應(yīng)遠程客戶端的數(shù)據(jù)請求，同時通過串口通信實現(xiàn)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。

本地端的開發(fā)目的是使管理者在交互終端上對工廠環(huán)境進行監(jiān)控。本地端的設(shè)計基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，用C語言和GTK+工具進行開發(fā)。

在Linux操作系統(tǒng)下，任何設(shè)備都被看作是文件描述符。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過串口連接到本地端時，在本地端的操作系統(tǒng)下會出現(xiàn)串口描述符/dev/ttyUSB0。通過串口的描述符，讀取ZigBee的數(shù)據(jù)和進行數(shù)據(jù)分析，并用界面的操作工具GTK+進行顯示，且可利用攝像頭進行視頻監(jiān)控。

4 網(wǎng)絡(luò)端設(shè)計

考慮到本地端的局限性，因此借用互聯(lián)網(wǎng)的方式來獲取工廠現(xiàn)場的設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對工廠內(nèi)部環(huán)境的管控。

通過在開發(fā)板上嵌入一個支持CGI腳本的Web服務(wù)器，生成動態(tài)頁面，用戶在任何地方都可以通過瀏覽器對系統(tǒng)設(shè)備進行監(jiān)控。選擇專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計的Boa服務(wù)器作為嵌入式Web服務(wù)器，Boa是一個單進程的HTTP服務(wù)器，完成一個用戶請求后，才響應(yīng)另一個用戶的請求，無法并發(fā)響應(yīng)；它支持CGI，能為CGI連接開啟新的進程。Boa服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過移植Boa服務(wù)器，編寫HTML頁面并結(jié)合CGI技術(shù)，用戶通過Internet就可以訪問和控制嵌入式設(shè)備，從而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控。

圖5 Boa服務(wù)器的結(jié)構(gòu)圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

遠程客戶端采用HTML+JavaScript技術(shù)進行客戶端網(wǎng)頁的編寫，實現(xiàn)遠程用戶對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理?？蛻舳隧撁嬷饕譃樵O(shè)備控制、現(xiàn)場環(huán)境、視頻監(jiān)控三部分。圖6為系統(tǒng)在實驗階段對室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，包括溫度、濕度、煙霧、紅外入侵等信息。

圖6 室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示界面

6 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控，通過底層傳感器網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備及環(huán)境信息的采集，并傳輸至交互終端進行本地監(jiān)控及供遠程用戶訪問。經(jīng)測試，系統(tǒng)可穩(wěn)定地進行上下行數(shù)據(jù)傳輸，具有實時性好、可擴展性強的特點，在現(xiàn)場管控領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。