基于WSN的工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)控平臺(tái)的研究

何 蓉，陳東義，韓 露

(1. 重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 重慶 沙坪壩區(qū) 400044; 2. 電子科技大學(xué)移動(dòng)計(jì)算中心 成都 610054)

目前，中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化，工業(yè)設(shè)備也向大型化、連續(xù)化、高速化、自動(dòng)化發(fā)展，性能越來越高，功能也越來越多，對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控就顯得尤為重要。在目前的大型工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控是保證工業(yè)生產(chǎn)安全進(jìn)行的重要手段，但目前采用的有線監(jiān)控方式存在很大的局限性，如組網(wǎng)需布線，這在很大程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)的靈活變化。尤其在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中，如設(shè)備需要做旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)運(yùn)動(dòng)或工作于強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，鋪設(shè)電纜既困難又昂貴。因此，在這些環(huán)境中的應(yīng)用便成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。這一新興技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的用途，不僅是有線技術(shù)的有效補(bǔ)充，而且對(duì)擴(kuò)充監(jiān)控范圍，提高監(jiān)控水平，降低監(jiān)控成本起著不可替代的重要作用。因此，本文針對(duì)這種新興網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行基于WSN工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用研究[2]，該研究有利于延長(zhǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行周期，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)省設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用以及增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)成

本文主要針對(duì)系統(tǒng)后臺(tái)監(jiān)控軟件研究，但是與整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)關(guān)系緊密，有必要對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行說明。系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采集數(shù)據(jù)的普通節(jié)點(diǎn)、與計(jì)算機(jī)相連的匯聚節(jié)點(diǎn)和運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的后臺(tái)監(jiān)控軟件3部分構(gòu)成，如圖1所示[1]。普通節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集，采用建立在IEEE802.15.4上的ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]，組成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼的方式，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，并通過串行接口板將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器，后臺(tái)軟件讀取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)報(bào)警等處理[4]。

圖1 WSN監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前用于監(jiān)控功能的后臺(tái)軟件大部分是通過商業(yè)組態(tài)軟件(如InTouch HM I、WinCC、組態(tài)王等)來實(shí)現(xiàn)，在功能上存在一定的缺陷，性價(jià)比較低且主要針對(duì)中小型系統(tǒng)而言。相對(duì)地，LabVIEW具有人機(jī)界面友好，功能強(qiáng)大，維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[5]。鑒于上述原因，本文提出了在上位機(jī)中采用LabVIEW作為控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)設(shè)備的監(jiān)控功能。

2.1 后臺(tái)軟件功能模塊設(shè)計(jì)

后臺(tái)監(jiān)控軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理單元、報(bào)表生成及打印單元、實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)曲線顯示單元、報(bào)警處理單元和友好的人機(jī)界面單元，如圖2所示[6]。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

2.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元

基于WSN工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，關(guān)鍵是對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、查詢和報(bào)表分析，這就涉及數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)問題?！皵?shù)據(jù)采集”是指將溫度、壓力、流量等模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或者打印的過程。所以用LabVIEW實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集功能是設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵部分[6]。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

通過對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境分析，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有抗干擾能力強(qiáng)、能耗超低、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)特征，本文提出利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與USB接口相結(jié)合采集數(shù)據(jù)的采集方案。在LabVIEW下，要讓LabVIEW和USB串口進(jìn)行直接數(shù)據(jù)通信，可通過調(diào)用NI-VISA庫(kù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

VISA(virtual instruments software architecture)是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API)，它不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，具有平臺(tái)可移植性。

VISA編程主要通過設(shè)備I/O端口的讀寫操作和屬性控制，實(shí)現(xiàn)與無線傳感節(jié)點(diǎn)的命令與數(shù)據(jù)交換。在VISA函數(shù)庫(kù)中，主要用到了VISA配置串口、VISA Write、VISA Read和VISA Close共4個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的使用，即可實(shí)現(xiàn)與USB串口的雙向通信。VISA配置串口能對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行配置，如串口設(shè)備、串口波特率等；VISA Close節(jié)點(diǎn)用于將打開的VISA資源關(guān)閉；VISA Write節(jié)點(diǎn)的功能是將Writebuffer端口輸入字符串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到串口設(shè)備中；VISA Read節(jié)點(diǎn)的功能是從串口設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)。LabVIEW和USB串口進(jìn)行直接數(shù)據(jù)通信的程序框圖如圖3所示。

圖3 LabVIEW和USB串口通信

圖3中，通過使用LabVIEW中自帶的串口類函數(shù)，PC機(jī)不僅可從USB串口中讀取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)，而且可向串口設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。在其中可以實(shí)現(xiàn)串口選擇、波特率設(shè)置、奇偶位校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位/停止位設(shè)定及延遲時(shí)間指定等功能。在前面板中，能相應(yīng)地顯示讀取的數(shù)據(jù)及其長(zhǎng)度。

2.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)中，很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是用戶可以對(duì)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、查詢、分析以及報(bào)表打印等操作，以便進(jìn)行后續(xù)處理。這就要求建立一個(gè)安全、高效的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。LabVIEW雖然擁有很多的專業(yè)設(shè)計(jì)功能，但是沒有提供直接訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，需要其他的輔助方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。LabVIEW中訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的方法很多，如：(1) 利用NI公司的附加工具包中的數(shù)據(jù)庫(kù)接口工具包LabVIEW SQL Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問；(2) 利用LabVIEW的ActiveX功能，調(diào)用M icrosoft ADO對(duì)象，利用SQL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問；(3) 通過第三方開發(fā)的免費(fèi)工具包LabSQL訪問；(4) 通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL(dynam ic link library)訪問；(5) 利用中間文件存取數(shù)據(jù)。

通過對(duì)各種訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的方法進(jìn)行分析后，結(jié)合本文系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量，提出了在后臺(tái)軟件中采用基于ADO的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問包——LabSQL。

LabSQL是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中一種通用的結(jié)構(gòu)化的查詢語(yǔ)言，主要功能是建立與各種數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)系和溝通，用它可以執(zhí)行各種操作，如數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的更新、查詢和提取。

LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫(kù)的、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包，支持Windows操作系統(tǒng)中的任何基于ODBC的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過M icrosoft ADO控件和LabSQL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問，將復(fù)雜的底層ADO以及LabSQL語(yǔ)言操作封裝成一系列的LabSQL VIs模塊，便于分層和模塊化設(shè)計(jì)，提高了編程效率。

LabSQL VIs按照ADO對(duì)象分為了3類，分別位于不同的文件夾Connection、Command和RecordSet。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，如創(chuàng)建或刪除一個(gè)Command、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙龋籆onnection VIs負(fù)責(zé)管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接；RecordSet VIs用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行各種操作，如創(chuàng)建或刪除一條記錄，或?qū)τ涗浿械哪骋粋€(gè)條目進(jìn)行讀寫等。輸入不同的SQL命令，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的不同操作，如查詢?nèi)繑?shù)據(jù)記錄、按條件查詢數(shù)據(jù)、添加記錄、刪除記錄等。

將從USB接口板采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，程序框圖如圖4所示。

當(dāng)LabVIEW與數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接后，運(yùn)行程序，便可得到如圖5所示的將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。利用該方法，在很多的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中都很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)操作，因此，該方法具有一定的實(shí)用意義。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)程序框圖

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

2.2.3 報(bào)表生成

在使用LabVIEW采集數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，當(dāng)需要產(chǎn)生報(bào)表時(shí)，可使用報(bào)表生成工具。

報(bào)表生成工具包支持4種報(bào)表，即標(biāo)準(zhǔn)格式、Htm l格式、Word和Excel格式的報(bào)表。用戶通過一個(gè)簡(jiǎn)單的程序就能夠完成報(bào)表生成的各項(xiàng)功能，而不需要自己編寫程序與Office軟件進(jìn)行ActiveX的通信，整個(gè)編成過程簡(jiǎn)便快捷。

LabVIEW中的報(bào)表生成可以通過以下4種方法：(1) 直接使用NI公司的ReportGeneration Toolkit生成報(bào)表；(2) 使用File I/O類函數(shù)生成報(bào)表；(3) 使用ReportGeneration類函數(shù)生成報(bào)表；(4) 利用Excel生成報(bào)表。然而ReportGeneration Toolkit模塊沒有集成在LabVIEW中，需額外購(gòu)買，性價(jià)比不高；File I/O類函數(shù)生成的報(bào)表可讀性差，樣式簡(jiǎn)單；用Excel生成報(bào)表，需在LabVIEW與Excel之間建立通信協(xié)議，利用DDE和ActiveX方式在LabVIEW中生成一份完整的報(bào)表，但是這些方法編程不直觀，編程難度較大，而且調(diào)試繁瑣，如果要生成隨輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整格式的報(bào)表，用這種方式實(shí)現(xiàn)非常困難。因此，本文著重介紹用LabVIEW中自帶的ReportGeneration類函數(shù)生成報(bào)表[7]。

LabVIEW中的ReportGeneration子模板中提供了豐富的函數(shù)。從生成一個(gè)新的報(bào)表，設(shè)置報(bào)表頁(yè)邊距、方向、頁(yè)眉文本，向報(bào)表中添加文字、圖片和表格等到打印報(bào)表都有相應(yīng)的函數(shù)可實(shí)現(xiàn)，并且提供了幫助文件供開發(fā)人員參考。以工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，報(bào)表生成如圖6所示[7]。

圖6 報(bào)表生成程序框圖

圖6中，可以對(duì)報(bào)表的每一個(gè)部分進(jìn)行參數(shù)配置，添加曲線、數(shù)據(jù)、表格，設(shè)置字體大小，更改表格的格式和圖表的類型等，并可打印和保存報(bào)表。使用該方法可以打印格式比較復(fù)雜的報(bào)表，而且操作簡(jiǎn)單，且因LabVIEW自帶ReportGeneration類函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)較少的報(bào)表生成，可大大提高工作效率。

2.3 實(shí)時(shí)與歷史曲線顯示單元

實(shí)時(shí)顯示界面是本文系統(tǒng)的核心部分，主要作用是集中顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的當(dāng)前值。LabVIEW監(jiān)控軟件能夠形象地顯示各工業(yè)設(shè)備機(jī)組及重要負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示各工業(yè)設(shè)備機(jī)組的溫度、流量、功率、轉(zhuǎn)速、電壓等參數(shù)，單擊各對(duì)應(yīng)按鈕可顯示各設(shè)備機(jī)組的詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)，如報(bào)警、電壓、功率、溫度等參數(shù)的曲線圖。在LabVIEW所提供的控件里，波形圖能夠形象清楚地描繪出現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在一段時(shí)間內(nèi)的分布趨勢(shì)，通過波形圖，操作員可以根據(jù)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)觀察各個(gè)量的變化情況，如圖7所示。而且能查看任何歷史時(shí)刻的數(shù)據(jù)及報(bào)警信息，供現(xiàn)場(chǎng)操作人員作出適當(dāng)?shù)奶幚?，操作?jiǎn)單，界面友好。

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示前面板

2.4 參數(shù)配置單元

參數(shù)配置界面是本文監(jiān)控系統(tǒng)界面的重要部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器靈敏度、系統(tǒng)每一監(jiān)控對(duì)象報(bào)警值和停機(jī)值、系統(tǒng)和串口相關(guān)設(shè)備參數(shù)的設(shè)定。為解決系統(tǒng)的通用性問題及參數(shù)的配置問題，軟件設(shè)置了參數(shù)配置單元，使得系統(tǒng)參數(shù)配置直觀形象，避免了因參數(shù)配置錯(cuò)誤或各參數(shù)的位置問題給系統(tǒng)調(diào)試帶來的麻煩。圖8所示為系統(tǒng)參數(shù)配置界面。

圖8 參數(shù)配置前面板

2.5 監(jiān)測(cè)報(bào)警單元

報(bào)警模塊主要是后臺(tái)軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)上傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的上限值或低于預(yù)先設(shè)定的下限值時(shí)，后臺(tái)軟件自動(dòng)彈出報(bào)警對(duì)話框，顯示報(bào)警信息，并通過顏色報(bào)警和聲音報(bào)警兩種方式來提示監(jiān)控人員。監(jiān)控人員要及時(shí)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行確認(rèn)處理，確認(rèn)后會(huì)在報(bào)警信息欄顯示報(bào)警確認(rèn)的時(shí)間和確認(rèn)者；對(duì)報(bào)警后未響應(yīng)的故障會(huì)持續(xù)發(fā)出聲光報(bào)警，并用紅光進(jìn)行閃爍指示，直到對(duì)該故障信息處理后，才對(duì)后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示[8]。報(bào)警事件的程序框圖如圖9所示。

圖9 報(bào)警程序框圖

2.6 人機(jī)交互設(shè)計(jì)與界面登錄單元

LabVIEW中沒有常規(guī)儀器的控制面板，但提供了豐富的前面板控件，可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。軟面板上具有與實(shí)際儀器相似的旋鈕、開關(guān)指示燈及其他控件，同時(shí)也可以在前面板上粘貼.Bmp和.JPEG格式的圖片，完全能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控軟件的流程畫面設(shè)計(jì)，使人機(jī)界面更友好。

為了保證對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)設(shè)備監(jiān)控的正常進(jìn)行，防止誤操作造成生產(chǎn)停頓和大的經(jīng)濟(jì)損失，要對(duì)操作人員的職責(zé)范圍進(jìn)行明確劃分，防止操作人員的越權(quán)操作。因此，需預(yù)先定義好用戶的操作權(quán)限，若用戶要登錄系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，則需要先用相應(yīng)的權(quán)限進(jìn)行登錄。本文設(shè)定了3個(gè)用戶級(jí)別：(1) 工程師級(jí)，能修改系統(tǒng)的各種參數(shù)，清除記錄文件的內(nèi)容；(2) 管理員級(jí)，能修改部分參數(shù)，能添加或刪除用戶，修改用戶權(quán)限等；(3) 操作員級(jí)，僅能查看畫面和數(shù)據(jù)，不能做任何參數(shù)修改[6]。

3 結(jié) 束 語(yǔ)

目前，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與圖形化編程軟件LabVIEW相結(jié)合實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控系統(tǒng)還很少。本文借助LabVIEW強(qiáng)大而便利的平臺(tái)，開發(fā)了一套適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)的后臺(tái)軟件，不僅能滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控的各種需要，且有畫面逼真、貼近現(xiàn)場(chǎng)、操作簡(jiǎn)便安全、報(bào)表打印靈活方便、安全性可靠、移植性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了基于WSN的監(jiān)控軟件在工業(yè)設(shè)備監(jiān)控過程中的可行性。

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編 輯 漆 蓉