基于ZigBee和WiFi融合網(wǎng)絡的智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

黃海龍 陳松 周兵 劉建業(yè) 朱文捷 梁青爽 馮皓華

摘 ?要：基于ZigBee和WiFi融合網(wǎng)絡的智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以ZigBee和WiFi融合網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，利用ZigBee網(wǎng)絡聯(lián)接溫濕度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊，利用WiFi網(wǎng)絡聯(lián)接視頻監(jiān)控攝像機和聲光報警設(shè)備，利用WiFi和ZigBee網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互聯(lián)，服務器端的應用程序按預定邏輯實現(xiàn)監(jiān)測、分析、報警等功能，上位機顯示界面呈現(xiàn)實時數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡功耗低、成本低、時延短、網(wǎng)絡容量大、組網(wǎng)能力強、可靠性高、安全性高優(yōu)點，以及WiFi網(wǎng)絡帶寬大、速度相對較快、方便接入互聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。通過設(shè)計協(xié)同傳輸機制旨在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的可靠運行，保證終端層數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全傳輸，檢查虛警數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee;WiFi;融合網(wǎng)絡;智慧工廠;環(huán)境監(jiān)測

一、概述

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，信息技術(shù)及應用方案日新月異，發(fā)展、生產(chǎn)制造業(yè)競爭的加劇、工業(yè)制造精度的提高，智慧工廠成為生產(chǎn)制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢。近些年，隨著中國物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)快速發(fā)展，中國智慧工廠快速發(fā)展[1]。智慧工廠環(huán)境監(jiān)測需求一般包括溫濕度、火災煙霧、空間視頻信息?；赯igBee和WiFi融合網(wǎng)絡，既能解決溫濕度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊數(shù)量多、分布式布放、帶寬小、功耗低等特性要求，又能解決視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬大、速度快、數(shù)字化、IP化等特性要求，從而使得智慧工廠環(huán)境監(jiān)測終端多元化、信息融合化、顯示多媒體化[2]。

（一）智慧工廠現(xiàn)狀及需求分析

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)制造業(yè)隨之發(fā)展加快，從而拉動經(jīng)濟增長的需求，“中國制造2025”概念的提出，為制造業(yè)指明發(fā)展方向。

由于制造業(yè)的高速發(fā)展，企業(yè)在管理方面的手段逐漸落后，很多處于傳統(tǒng)人工監(jiān)控方式的做法效率逐漸降低，這種背景下，企業(yè)急需要一套新型的智慧工廠監(jiān)控系統(tǒng)，提高廠區(qū)的現(xiàn)代化管理水平，通過無線網(wǎng)絡方式將廠區(qū)智能化安防系統(tǒng)納入統(tǒng)一管理，并與業(yè)務相結(jié)合，建設(shè)一套整體的智慧工廠解決方案[3]。

（二）ZigBee技術(shù)特點分析

1. ZigBee功耗低于其他無線通信技術(shù)，ZigBee開展傳輸處理過程中對應需求的功率為1MW[4]。若ZigBee進入休眠狀態(tài)模式，其功率將更低。通俗來講，通過裝置有ZigBee的設(shè)備配備兩節(jié)5號電池，該設(shè)備便可持續(xù)運行超過6個月的時間。

2. ZigBee研發(fā)及使用所需投入的成本較低，而且無須交付專利費，所以ZigBee可為廣大用戶所接受。

3. ZigBee具有較高的安全可靠性，ZigBee可實現(xiàn)十分完備的檢測功能，同時在應用ZigBee時需要進行反復的檢驗流程。如此一來，切實確保了ZigBee的安全可靠性[5]。另外，ZigBee在傳輸數(shù)據(jù)過程中可確保數(shù)據(jù)流的相對平行性，換而言之，ZigBee可為數(shù)據(jù)提供寬廣的傳輸空間。

（三）WiFi技術(shù)特點分析

1. 傳輸速度非?？?，其傳輸速度可以達到11 mbps（802.11b）或者54 mbps（802.11.a），適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務。

2. 無須布線，可以不受布線條件的限制，非常適合移動辦公用戶的需要，用戶只需要將支持無線網(wǎng)絡的終端設(shè)備該區(qū)域內(nèi)，即可高速接入因特網(wǎng)[6]。

3. 健康安全，具有WiFi功能的產(chǎn)品發(fā)射功率不超過100毫瓦，實際發(fā)射功率60～70毫瓦，與手機、手持式對講機等通訊設(shè)備相比，WiFi產(chǎn)品的輻射更小。

二、系統(tǒng)功能設(shè)計

（一）人機交互功能

主要通過上位機電腦上客戶端軟件實現(xiàn)針對各類傳感器反饋信息、視頻監(jiān)控圖像等人機交互，人機交互界面依托于軟件界面的設(shè)計。電腦上客戶端軟件與服務器上的后臺端可以采用C/S或B/S模式。

（二）綜合監(jiān)測與分析功能

主要通過服務器后臺管理軟件實現(xiàn)對各類傳感器反饋信息、視頻監(jiān)控圖像的綜合監(jiān)測與分析[7]。綜合監(jiān)測與分析可以包括對歷史數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)及圖像查看、報警日志查詢、報警次數(shù)統(tǒng)計、分析圖表樣式選擇（柱狀圖、餅狀圖等）、監(jiān)測與分析結(jié)果導出等功能;歷史數(shù)據(jù)按設(shè)備、按時間周期（年月日）等檢索條件查詢。

（三）報警功能

在系統(tǒng)運行中，如果某個溫濕度傳感器超過預先設(shè)定值，服務器應用軟件會自動形成報警信息，并發(fā)往上位機電腦，同時與聲光報警器聯(lián)動，在工廠內(nèi)發(fā)出聲光報警信號。

（四）通信功能

各傳感器分別通過ZigBee傳送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過WiFi以TCP/IP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到服務器。視頻監(jiān)控攝像機直接通過WiFi網(wǎng)絡以TCP/IP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到服務器。上位機電腦發(fā)來的各類控制信息可以通過WiFi網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，再通過ZigBee傳送至各傳感器。

三、架構(gòu)設(shè)計

智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)由三層組成，分別是終端層、網(wǎng)絡層和應用層。

（一）終端層

終端層是最底層，是信息采集和監(jiān)控執(zhí)行設(shè)備。終端層包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、視頻監(jiān)控攝像機、聲光報警設(shè)備。溫濕度傳感器、煙霧傳感器。終端層與ZigBee網(wǎng)絡設(shè)備互聯(lián)[8]。視頻監(jiān)控攝像機附有WiFi通信模塊，可直接與WiFi網(wǎng)絡設(shè)備通信。

（二）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層基于ZigBee和WiFi融合網(wǎng)絡。網(wǎng)絡層包括ZigBee網(wǎng)絡設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、WiFi網(wǎng)絡設(shè)備。

ZigBee網(wǎng)絡設(shè)備包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點三種功能設(shè)備[9]。網(wǎng)絡層主要完成的任務有相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并且要進行數(shù)據(jù)的分析轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡層不僅要考慮正常工作問題，還要考慮看工業(yè)環(huán)境信道噪聲干擾、網(wǎng)絡安全等安全因素。

（三）應用層

應用層由服務器及后臺管理軟件、上位機電腦及客戶端軟件組成。服務器及后臺應用軟件、上位機電腦及客戶端軟件可以采用C/S或B/S模式運行。應用層負責存儲、分析、歸類、統(tǒng)計和呈現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡層傳來的數(shù)據(jù)。當應用層管理平臺通過分析對比傳來的數(shù)據(jù)和預先設(shè)定的預警值以后，如果超過預警值，就會將警報出發(fā)，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)儲存到后臺數(shù)據(jù)庫中。這樣，管理人員一方面可以通過查看記錄了解工廠的歷史數(shù)據(jù)，另一方面也可以了解實時報警狀況，并且能夠通過視頻監(jiān)控攝像機遠程查看工廠現(xiàn)場視頻圖像，從而有效降低的人力、物力、財力的投入，實現(xiàn)快捷、高效管理。智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示。

四、協(xié)同傳輸機制設(shè)計

協(xié)同傳輸機制旨在協(xié)調(diào)網(wǎng)絡的可靠運行，保證終端層數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全傳輸，檢查虛警數(shù)據(jù)。協(xié)同傳輸機制包括分組管理機制和基于預先級列表的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)管理機制。

（一）分組管理機制

將不同的ZigBee設(shè)備群按地理位置分成各個小組。在每個小組中，由ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備作為組長節(jié)點，其他路由器、終端節(jié)點兩個種功能設(shè)備作為組員節(jié)點。組長節(jié)點負責每個組員節(jié)點的網(wǎng)絡初始化，組長節(jié)點與組員節(jié)點通過投票簽名的公共鑰匙以及秘密鑰匙生成協(xié)議[10]。組長節(jié)點通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備與指定的WiFi網(wǎng)絡設(shè)備互聯(lián)互通。

（二）基于預先級列表的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)管理機制

鑒于智慧工廠建筑空間是穩(wěn)定的，ZigBee網(wǎng)絡一般采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即組長節(jié)點與一群組員節(jié)點是固定關(guān)系，網(wǎng)絡設(shè)備成本低、管理更方便[11]。

為了提高網(wǎng)絡總體可靠性、避免因組長節(jié)點宕機引起小組整體傳輸信息故障，采用網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)備份協(xié)商機制[12];預先對小組內(nèi)各個節(jié)點設(shè)備賦予優(yōu)先級，一旦原組長節(jié)點宕機，小組會根據(jù)預先設(shè)定的優(yōu)先級列表，由剩余節(jié)點設(shè)備中優(yōu)先級最高的節(jié)點設(shè)備擔任組長節(jié)點，重新進行ZigBee網(wǎng)絡初始化，并通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備與原組長節(jié)點對應WiFi網(wǎng)絡設(shè)備互聯(lián)互通。

五、總結(jié)

本文設(shè)計了基于ZigBee和WiFi融合網(wǎng)絡的智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)三層架構(gòu)，提出了涵蓋分組管理機制和基于預先級列表的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)管理機制的協(xié)同傳輸機制。利用基于ZigBee和WiFi融合網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)對溫濕度傳感器、煙霧傳感器信息傳輸和數(shù)據(jù)分析報警，同時實現(xiàn)視頻監(jiān)控圖像實時瀏覽，以及聲光報警發(fā)送。利用分組管理機制和基于預先級列表的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)管理機制實現(xiàn)面向正常運行狀態(tài)和協(xié)調(diào)器節(jié)點故障狀態(tài)下可靠傳輸和運行?；赯igBee和WiFi融合網(wǎng)絡，依托網(wǎng)關(guān)設(shè)備，充分利用2.4 GHz免費頻段自組網(wǎng)，具有安全可靠、成本較低、網(wǎng)絡擴展能力強、業(yè)務承載多元化等優(yōu)點，能滿足智慧工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控信息的傳輸，具有良好的拓展前景。

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