摘  要： 現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域的某些設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)受溫濕度的影響很大，為此提出了本設(shè)計(jì)方案。此套監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee無線傳感技術(shù)和無線WiFi設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括ZigBee模塊、WiFi模塊和溫濕度傳感器模塊。上位機(jī)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(yīng)用程序和B/S模式的前臺應(yīng)用程序，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域的實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)測，為設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

　　關(guān)鍵詞： 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(shè)備對溫濕度很敏感，一旦防護(hù)不利會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。基于ZigBee的無線傳感技術(shù)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(diǎn)，可以輕松地解決此方面的問題[1]。所以本設(shè)計(jì)采用固定ZigBee節(jié)點(diǎn)跟移動(dòng)ZigBee節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的方式來動(dòng)靜結(jié)合地監(jiān)測整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域，其中固定的節(jié)點(diǎn)就是在工業(yè)現(xiàn)場分布安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器部分，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就是依靠智能電瓶車攜帶ZigBee節(jié)點(diǎn)并配備溫濕度傳感器來移動(dòng)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(diǎn)，最后通過無線WiFi發(fā)給服務(wù)器，監(jiān)控終端登錄服務(wù)器實(shí)時(shí)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(shè)備正常運(yùn)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(luò)、WiFi/ZigBee網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控終端。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和智能電瓶車（配備ZigBee移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及溫濕度傳感器）實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)組成中間傳輸線路負(fù)責(zé)把這些數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器[2]。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把ZigBee協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)傳到確定地址的服務(wù)器上。服務(wù)器上的數(shù)據(jù)有很多種，除溫濕度數(shù)據(jù)外，還有各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的分布及工作情況等，所以監(jiān)控終端需要分類，然后存儲(chǔ)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(wù)網(wǎng)站調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)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(shí)采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

2 ZigBee工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　2.1 ZigBee無線通信技術(shù)

　　ZigBee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)。它具有成本低、功耗低、便于應(yīng)用、速率低、時(shí)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(luò)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(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)包括應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)[3]。

　　2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端采集節(jié)點(diǎn)全部采用此芯片。終端節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.3 ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域，并且在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但是有多個(gè)路由器，該協(xié)調(diào)器和路由器全部為全功能器件。網(wǎng)絡(luò)中的終端采集節(jié)點(diǎn)使用的是簡約功能器件。ZigBee無線網(wǎng)狀網(wǎng)擁有多個(gè)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(huì)自動(dòng)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(diǎn)放置得更密集一些。為了預(yù)防各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常情況而不被發(fā)現(xiàn)，所有終端節(jié)點(diǎn)每隔1 min向離其最近的路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次信息，與此同時(shí)各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地監(jiān)聽其周圍終端節(jié)點(diǎn)的信息，如果5次監(jiān)聽不到某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的信息，就默認(rèn)此節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，即刻向上級協(xié)調(diào)器發(fā)送故障警報(bào)[2]。網(wǎng)絡(luò)建立過程如圖3所示。

　　2.4 ZigBee移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)依靠智能電瓶車配備ZigBee終端節(jié)點(diǎn)并攜帶溫濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)的移動(dòng)監(jiān)測。把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，配合現(xiàn)場的ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)來全方位地監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場。此處采用信號能量強(qiáng)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(luò)中的芯片定位就是采用信號強(qiáng)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(qiáng)度值RSSI和LQI來定位計(jì)算信號點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離[5]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)聽移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)廣播的RSSI和LQI來進(jìn)行定位計(jì)算，與預(yù)先設(shè)定好的路由節(jié)點(diǎn)的最大門限值ＲSSI（Max）和LQI（Max）進(jìn)行比較。如果連續(xù)3次都比預(yù)先設(shè)定的門限值大，則該路由節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)，則立即判斷此節(jié)點(diǎn)為新進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并且馬上把此節(jié)點(diǎn)注冊為新的子節(jié)點(diǎn)并及時(shí)通知該移動(dòng)子節(jié)點(diǎn)解除與原父節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)[5]。從而保證了網(wǎng)絡(luò)在切換中的正常通信。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換接入流程如圖4所示。

3 ZigBee/WiFi網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　ZigBee/WiFi網(wǎng)關(guān)的功能就是把監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的服務(wù)器上，網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)包括ZigBee模塊、WiFi模塊。ZigBee模塊與WiFi模塊之間通過RS232進(jìn)行互聯(lián)通信，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　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(shè)備具有一個(gè)RS232接口和4個(gè)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(luò)協(xié)議IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，它通過ＲS232接口與ZigBee模塊進(jìn)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ZigBee模塊正常工作。ZigBee節(jié)點(diǎn)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ＲS232接口與WiFi連接，由WiFi模塊把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸作為下行數(shù)據(jù)，WiFi網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(yuǎn)端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中[6]。其中工作流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　在vs2010平臺下用C#語言編寫系統(tǒng)上位機(jī)的軟件程序，其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示[7]。B/S模式的前臺網(wǎng)頁服務(wù)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(quán)限處理，權(quán)限不同登錄的界面不同，進(jìn)而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺服務(wù)程序，通過Socket通信與WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過SQL語句把從服務(wù)器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工，生成可視化內(nèi)容供用戶參考，進(jìn)而做出相應(yīng)的決策。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)中分布安裝了10個(gè)固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)來構(gòu)建靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果傳給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(guān)，最終WiFi網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后上傳到監(jiān)控室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，從而實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)控終端的監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

6 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場溫濕度的監(jiān)測，并且通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)及WiFi/ZigBee網(wǎng)關(guān)把監(jiān)測結(jié)果發(fā)給服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)聯(lián)合，最終把結(jié)果顯示在前臺界面上，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供了有力的保障。

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