基于Internet和ZigBee的制造車間分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)*

□ 袁 佳 □ 焦志曼 □ 余建波

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)過程，并逐漸呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)大都使用有線方式，在各采集點(diǎn)安放傳感器，通過現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)［1］，存在線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，增加了系統(tǒng)成本［2］，在很多特定區(qū)域無法順利使用。而與無線通信技術(shù)相結(jié)合的無線監(jiān)測系統(tǒng)則無需布線，可忽略監(jiān)測環(huán)境的不利條件影響，隨意增減數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，自動(dòng)組網(wǎng)，且監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功耗低、生命周期長，既方便使用又節(jié)省布線成本［3］。

文獻(xiàn)［4］提出了一種開放式、模塊化、分布式智能控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了將工業(yè)以太網(wǎng)直接應(yīng)用于車間數(shù)字設(shè)備智能控制的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)［5］根據(jù)一些環(huán)境溫度、濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要，以SHT10為溫、濕度傳感器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫、濕度的數(shù)據(jù)采集與傳輸。文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一種結(jié)合Zigbee和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對遠(yuǎn)程的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)采集。文獻(xiàn)［7］開發(fā)了一種基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，驗(yàn)證了嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有效性和應(yīng)用系統(tǒng)的可行性。

針對現(xiàn)有車間監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，本文開發(fā)了一種基于Internet和ZigBee的制造車間分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，有效地將有線通信和無線通信相結(jié)合，充分發(fā)揮Internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣和ZigBee無線自組網(wǎng)、低功耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。該系統(tǒng)監(jiān)測終端無需布線，擴(kuò)展性強(qiáng)，使用能耗低，控制靈活方便。智能監(jiān)測終端通過組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對制造車間的狀態(tài)監(jiān)測，同時(shí)和Internet通信相結(jié)合，通過與遠(yuǎn)程控制中心PC計(jì)算機(jī)連接，可接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測，最后以溫、濕度傳感器為例，對制造車間分布式監(jiān)測系統(tǒng)做了實(shí)際驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出了基于Internet和ZigBee的制造車間分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)（如圖1所示），系統(tǒng)主要包括車間網(wǎng)橋、ZigBee無線通信模塊、終端監(jiān)測模塊。在ARM微處理器中移植RT-thread操作系統(tǒng)作為網(wǎng)橋，通過路由器與以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)車間監(jiān)測無線通信網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的通信連接。

▲圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)工作流程：車間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制造車間信息數(shù)據(jù)在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中自由傳輸，經(jīng)ZigBee模塊傳送至網(wǎng)橋，由網(wǎng)橋通過Ethernet模塊傳輸至外部網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過上位機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測界面，實(shí)時(shí)查看制造車間狀態(tài)信息，也可以通過手機(jī)或PC機(jī)實(shí)時(shí)在線查看，網(wǎng)橋?qū)刂泼钭鞒雠袛嗪晚憫?yīng)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的信息，控制相應(yīng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)橋設(shè)計(jì)

網(wǎng)橋就是外部Internet網(wǎng)絡(luò)與ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)連接點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車間監(jiān)測數(shù)據(jù)信息網(wǎng)與外部通信網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，主要用來處理遠(yuǎn)程車間監(jiān)測信息。網(wǎng)橋以ARM微處理器為中心建立硬件平臺(tái)，對外通過以太網(wǎng)接口接入Internet網(wǎng)絡(luò)，對內(nèi)將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)連接成一體，用戶通過遠(yuǎn)端PC機(jī)或手機(jī)就可以對車間狀態(tài)信息進(jìn)行查詢與控制。

▲圖2 網(wǎng)橋硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，設(shè)計(jì)的網(wǎng)橋硬件電路主要包括控制器（STM32F107VCT6）模塊、通信模塊（UART、ZigBee和Ethernet）、存儲(chǔ)模塊（I2C掉電存儲(chǔ)模塊和SD存儲(chǔ)模塊）、網(wǎng)卡模塊（Realtek8201網(wǎng)卡芯片）等?？刂破魇钦麄€(gè)網(wǎng)橋的核心，此系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F107VCT6芯片作為網(wǎng)橋核心微控制器，它是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的全新STM32互連型（Connectivity）微控制器，集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，且與STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性。通過外擴(kuò)存儲(chǔ)器、通信接口、調(diào)試接口等構(gòu)成硬件平臺(tái)，其中STM32F107VCT6通過MII接口與RTK8201網(wǎng)卡模塊完成數(shù)據(jù)交換，其差分輸入和輸出連接到帶網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45接口的HR91105A上，其硬件連接如圖3所示。

▲圖3 網(wǎng)橋硬件結(jié)構(gòu)圖

▲圖4 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要由CC2430控制芯片、CC2591功放芯片以及少量的外圍器件構(gòu)成。CC2430芯片是用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它在內(nèi)部整合了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻無線收發(fā)器、一個(gè)工業(yè)級小巧高效的8051微控制器和Flash內(nèi)存［9］。但是CC2430芯片本身的通信距離十分有限，因此要增加一個(gè)功放芯片CC2591來加大節(jié)點(diǎn)通信距離，減少通信延時(shí)，增加通信穩(wěn)定性。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)［10］中包含終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等。A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路以及傳感器信息采集電路與ZigBee模塊相連，構(gòu)成終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)制造車間狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)ZigBee模塊和RS232接口組成，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)，接收遠(yuǎn)程無線控制信號并傳向ZigBee網(wǎng)絡(luò)。各終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器共同構(gòu)成了系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)沒有A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，主要實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2.3 終端監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端主要包括無線模塊、傳感器采集模塊和顯示模塊，以SHT11傳感器為例，對傳感器采集模塊作詳細(xì)說明，實(shí)現(xiàn)對制造車間狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。采用數(shù)字溫、濕度傳感器SHT11測量制造車間環(huán)境的溫、濕度，通過LCD1602實(shí)時(shí)顯示，并通過無線模塊將采集信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，經(jīng)由網(wǎng)橋發(fā)送到上位機(jī)顯示，傳感器SHT11采集接口電路如圖5所示，LCD1602顯示接口電路如圖6所示。

SHT11溫、濕度傳感器測量精度較高且可精確測出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。CC2430與SHT11連接只需用2條I/O線，分別作為數(shù)據(jù)線DATA和時(shí)鐘線SCK，并在DATA端加上拉電阻，用于將信號提拉為高電平，同時(shí)在VDD及GND接入去耦電容，再通過相應(yīng)的程序編寫，即可完成制造車間溫、濕度環(huán)境信息的采集與傳輸。

▲圖5 溫、濕度傳感器接口電路圖

▲圖6 LCD1602接口電路原理圖

顯示器件選用液晶顯示模塊LCD1602，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，因此很適合應(yīng)用于車間實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的顯示，能夠多行信息同時(shí)顯示，使用方便靈活。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee組網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

ZigBee支持3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、簇樹結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中，簇樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；星型網(wǎng)絡(luò)相對簡單，便于管理，建網(wǎng)容易，擴(kuò)展方便，控制靈活，很適合應(yīng)用于制造車間狀態(tài)信息監(jiān)測，因此，選擇組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)。ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)兩部分組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，識別終端節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和終端動(dòng)作的執(zhí)行。組網(wǎng)協(xié)議采用的是美國密西西比州立大學(xué)的MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧［11］，該協(xié)議棧可用于多種硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)器、路由器和精簡功能節(jié)點(diǎn)之間的樹路由、直接消息傳輸以及采用靜態(tài)綁定方法的間接路由。

組網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)兩方面功能：①協(xié)調(diào)器和終端子節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)和通信；②實(shí)時(shí)監(jiān)測車間狀態(tài)信息并顯示。這里具體介紹ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的建立過程：首先協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過aplFormNetwork（）建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立完成后，進(jìn)入無限循環(huán)運(yùn)行apsFSM（）狀態(tài)機(jī)，監(jiān)聽入網(wǎng)請求信息，其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求后，通過aplJoinNetwork（）加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后運(yùn)行apsFSM（）狀態(tài)機(jī)，通過APP_STATE_RUN_APPn執(zhí)行應(yīng)用程序。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程如圖7所示，ZigBee監(jiān)測節(jié)點(diǎn)流程如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件采用C#語言編寫，通過Socket技術(shù)建立與制造車間網(wǎng)橋的通信連接，包括通信連接、實(shí)時(shí)監(jiān)測、日常維護(hù)、數(shù)據(jù)管理等模塊。控制界面能實(shí)時(shí)獲取每個(gè)車間網(wǎng)橋?qū)?yīng)的IP地址和端口號，用戶通過此界面向不同IP地址下的監(jiān)控終端發(fā)出實(shí)時(shí)監(jiān)測采集命令，靈活方便地實(shí)現(xiàn)制造車間狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測。

3.3 通信采集協(xié)議

遠(yuǎn)程監(jiān)測中心向智能監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含控制命令的數(shù)據(jù)包，智能監(jiān)測節(jié)點(diǎn)按照雙方約定的協(xié)議解析收到的數(shù)據(jù)包，根據(jù)解析出的負(fù)載信息執(zhí)行相應(yīng)的功能。數(shù)據(jù)包協(xié)議見表1。

數(shù)據(jù)頭：固定設(shè)置為F5，表示一幀數(shù)據(jù)的開始。事件號：事件類別，0x01表示普通控制消息，0xEE表示器件狀態(tài)消息。上/下行：上行方向?yàn)椋航K端→協(xié)調(diào)器→控制器→上位機(jī)，按此方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包此位設(shè)置為TRUE即0x01；下行方向?yàn)椋荷衔粰C(jī)→控制器→協(xié)調(diào)器→終端，按此方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包此位設(shè)置為False即0x00。長度：為源端點(diǎn)+目的端點(diǎn)+控制位+狀態(tài)位。源端點(diǎn)：發(fā)送控制信息的端點(diǎn)。目的端點(diǎn)：接收控制信息的端點(diǎn)。功能位：也稱標(biāo)識位，表示要監(jiān)測的是何種狀態(tài)信息，0x01表示溫、濕度信息，0x02表示油壓、油溫信息，0x03表示水壓、氣壓信息，0x04表示轉(zhuǎn)速、流量信息，0x05表示負(fù)載、重量信息，以此類推。地址位：0x00～0xFF，0x01代表1號車間，0x02代表2號車間，以此類推，0x00表示全部車間，最多可同時(shí)檢測255個(gè)車間狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)尾：固定設(shè)置為5F，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，與數(shù)據(jù)頭一起作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?yàn)碼，只有數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾都正確，接收的數(shù)據(jù)才為一幀有效數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)對開發(fā)的基于Internet和ZigBee的制造車間分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了測試，包括系統(tǒng)監(jiān)測軟件、網(wǎng)橋、ZigBee協(xié)調(diào)器、智能監(jiān)測終端。ZigBee協(xié)調(diào)器和終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)組建星型網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器通過串口RS232連接網(wǎng)橋，網(wǎng)橋通過RJ45接口和網(wǎng)線連接加入Internet網(wǎng)絡(luò)，通過上位機(jī)監(jiān)測軟件監(jiān)聽網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與網(wǎng)橋的通信，通過監(jiān)測軟件發(fā)送監(jiān)測命令即可遠(yuǎn)程監(jiān)測車間狀態(tài)信息。

▲圖7 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖

▲圖8 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)程序流程圖

表1 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)包協(xié)議

▲圖9 車間實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

測試結(jié)果：ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電即可組建網(wǎng)絡(luò)，延時(shí)時(shí)間很短；使用外接天線，節(jié)點(diǎn)間信息有效傳輸距離確保在20 m左右，即監(jiān)測區(qū)域?yàn)榘霃?0 m的圓，完全覆蓋單個(gè)車間范圍；終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)掉電重新上電后能夠加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)速度與距離有關(guān)，但延時(shí)不會(huì)太久；Internet局域網(wǎng)內(nèi)，PC機(jī)與網(wǎng)橋連接有2～3 s的延時(shí)，連接成功后，監(jiān)測命令響應(yīng)及時(shí)，車間實(shí)時(shí)狀態(tài)信息能在監(jiān)測軟件和液晶屏上準(zhǔn)確顯示，實(shí)時(shí)波形如圖9所示。

5 結(jié)束語

本文以ZigBee無線通信模塊為核心，在CC2430芯片的基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于Internet和ZigBee的制造車間分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)，以傳感器SHT11為例，完成制造車間溫、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，該系統(tǒng)具有較大的靈活性和擴(kuò)展性，具有布點(diǎn)靈活、能耗低、使用方便等特點(diǎn)，通過選擇不同傳感器，能夠很好滿足工程機(jī)械、工業(yè)生產(chǎn)、倉儲(chǔ)物流等很多場合的參數(shù)監(jiān)測需求，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］ 祝良榮，金永敏.基于ZigBee無線技術(shù)的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.機(jī)械與電子，2010（3）：49-52.

［2］ 徐朋豪，馮玉光，奚文駿，等.基于ZigBee的無線溫濕度采集系統(tǒng)研究［J］.國外電子測量技術(shù)，2013（1）:33-36.

［3］ 尹航，張奇松，程志林.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2008（11）：20-23.

［4］ 吳修德，李剛炎，胡劍.基于工業(yè)以太網(wǎng)的車間數(shù)字設(shè)備智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2005（11）：15-17.

［5］ 王公堂，李艷華，楊寶.基于Zigbee的溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013（1）:63-66.

［6］ 郝志華，鄭換霞.基于Zigbee和GPRS的無線溫濕度測量系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2013（4）:254-257.

［7］ 張妮，高紅俐，陸旭，等.基于嵌入式Internet技術(shù)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機(jī)械制造，2009（3）：63-65.

［8］ 意法半導(dǎo)體公司.STM32F10xxx參考手冊［Z］，2009.

［9］ 尹紀(jì)婷，袁佳，余建波，等.基于ARM和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)研究與開發(fā) ［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2013（9）：119-122.

［10］張永梅，楊沖，馬禮，等.一種低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012（2）：71-73.