基于WSN的工業設備運行狀況監控平臺的研究

何 蓉，陳東義，韓 露

(1. 重慶大學自動化學院 重慶 沙坪壩區 400044; 2. 電子科技大學移動計算中心 成都 610054)

目前，中國工業生產實現了現代化，工業設備也向大型化、連續化、高速化、自動化發展，性能越來越高，功能也越來越多，對工業設備運行狀況實時監控就顯得尤為重要。在目前的大型工業設備監控系統中，對設備運行狀況的監控是保證工業生產安全進行的重要手段，但目前采用的有線監控方式存在很大的局限性，如組網需布線，這在很大程度上限制了網絡的擴展和結構的靈活變化。尤其在一些特殊的工業環境中，如設備需要做旋轉、移動運動或工作于強腐蝕性環境，鋪設電纜既困難又昂貴。因此，在這些環境中的應用便成了無線傳感器網絡的主要目標。無線傳感器網絡(WSN)是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點，通過無線通信技術自組織構成的網絡系統[1]。這一新興技術在工業領域有著非常廣泛的用途，不僅是有線技術的有效補充，而且對擴充監控范圍，提高監控水平，降低監控成本起著不可替代的重要作用。因此，本文針對這種新興網絡，進行基于WSN工業設備運行狀況實時監控平臺的應用研究[2]，該研究有利于延長設備的安全運行周期，保證產品的質量，穩定生產，節省設備運行費用以及增加社會經濟效益。

1 系統監控平臺的構成

本文主要針對系統后臺監控軟件研究，但是與整個監控平臺關系緊密，有必要對整個監控系統構成進行說明。系統監控平臺主要由無線傳感器網絡中采集數據的普通節點、與計算機相連的匯聚節點和運行在計算機上的后臺監控軟件3部分構成，如圖1所示[1]。普通節點負責傳感器的數據采集，采用建立在IEEE802.15.4上的ZigBee技術標準[3]，組成Ad hoc網絡，通過多跳中繼的方式，將采集到的數據發送到匯聚節點，匯聚節點負責控制子節點的數據采集和發送，并通過串行接口板將采集到的數據發送給后臺監控服務器，后臺軟件讀取數據，對數據進行解析、圖形顯示、數據存儲、監測報警等處理[4]。

圖1 WSN監控平臺系統結構圖

2 監控系統后臺軟件的設計與實現

目前用于監控功能的后臺軟件大部分是通過商業組態軟件(如InTouch HM I、WinCC、組態王等)來實現，在功能上存在一定的缺陷，性價比較低且主要針對中小型系統而言。相對地，LabVIEW具有人機界面友好，功能強大，維護簡便等優點[5]。鑒于上述原因，本文提出了在上位機中采用LabVIEW作為控制系統的監控軟件，實現了對工業設備的監控功能。

2.1 后臺軟件功能模塊設計

后臺監控軟件采用模塊化設計，主要包括數據采集與數據處理單元、報表生成及打印單元、實時與歷史數據曲線顯示單元、報警處理單元和友好的人機界面單元，如圖2所示[6]。

圖2 監控系統組成

2.2 數據采集與存儲單元

基于WSN工業設備運行狀況實時監控系統中，關鍵是對實時采集的數據進行顯示、處理、查詢和報表分析，這就涉及數據采集及存儲問題。“數據采集”是指將溫度、壓力、流量等模擬量采集、轉換成數字量以后，再由計算機進行存儲、處理、顯示或者打印的過程。所以用LabVIEW實現實時的數據采集功能是設計研究的關鍵部分[6]。

2.2.1 數據采集

通過對工業設備運行環境分析，結合無線傳感器網絡具有抗干擾能力強、能耗超低、實時通信等技術特征，本文提出利用無線傳感器網絡與USB接口相結合采集數據的采集方案。在LabVIEW下，要讓LabVIEW和USB串口進行直接數據通信，可通過調用NI-VISA庫函數來實現。

VISA(virtual instruments software architecture)是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口(API)，它不受平臺、總線和環境的限制，具有平臺可移植性。

VISA編程主要通過設備I/O端口的讀寫操作和屬性控制，實現與無線傳感節點的命令與數據交換。在VISA函數庫中，主要用到了VISA配置串口、VISA Write、VISA Read和VISA Close共4個節點，通過對這些節點的使用，即可實現與USB串口的雙向通信。VISA配置串口能對一些參數進行配置，如串口設備、串口波特率等；VISA Close節點用于將打開的VISA資源關閉；VISA Write節點的功能是將Writebuffer端口輸入字符串數據發送到串口設備中；VISA Read節點的功能是從串口設備中讀出數據。LabVIEW和USB串口進行直接數據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，PC機不僅可從USB串口中讀取無線傳感器網絡的原始數據，而且可向串口設備寫入數據。在其中可以實現串口選擇、波特率設置、奇偶位校驗、數據位/停止位設定及延遲時間指定等功能。在前面板中，能相應地顯示讀取的數據及其長度。

2.2.2 實時數據存儲

在計算機監控系統軟件開發中，很重要的一個環節是用戶可以對實時采集到的數據進行顯示、查詢、分析以及報表打印等操作，以便進行后續處理。這就要求建立一個安全、高效的數據庫對數據進行管理。LabVIEW雖然擁有很多的專業設計功能，但是沒有提供直接訪問數據庫的方法，需要其他的輔助方法來進行數據庫的訪問。LabVIEW中訪問數據庫的方法很多，如：(1) 利用NI公司的附加工具包中的數據庫接口工具包LabVIEW SQL Toolkit進行數據庫訪問；(2) 利用LabVIEW的ActiveX功能，調用M icrosoft ADO對象，利用SQL語言實現數據庫的訪問；(3) 通過第三方開發的免費工具包LabSQL訪問；(4) 通過調用動態鏈接庫DLL(dynam ic link library)訪問；(5) 利用中間文件存取數據。

通過對各種訪問數據庫的方法進行分析后，結合本文系統所監測的數據量，提出了在后臺軟件中采用基于ADO的LabVIEW數據庫訪問包——LabSQL。

LabSQL是關系數據庫中一種通用的結構化的查詢語言，主要功能是建立與各種數據庫的聯系和溝通，用它可以執行各種操作，如數據庫數據的更新、查詢和提取。

LabSQL是一個免費的、多數據庫的、跨平臺的LabVIEW數據庫訪問工具包，支持Windows操作系統中的任何基于ODBC的數據庫，通過M icrosoft ADO控件和LabSQL語言實現數據庫的訪問，將復雜的底層ADO以及LabSQL語言操作封裝成一系列的LabSQL VIs模塊，便于分層和模塊化設計，提高了編程效率。

LabSQL VIs按照ADO對象分為了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，如創建或刪除一個Command、對數據庫中的某一個參數進行讀或寫等；Connection VIs負責管理LabVIEW與數據庫的連接；RecordSet VIs用于對數據庫中的記錄進行各種操作，如創建或刪除一條記錄，或對記錄中的某一個條目進行讀寫等。輸入不同的SQL命令，便可實現對數據庫的不同操作，如查詢全部數據記錄、按條件查詢數據、添加記錄、刪除記錄等。

將從USB接口板采集進來的數據進行轉換后，存入數據庫，程序框圖如圖4所示。

當LabVIEW與數據庫鏈接后，運行程序，便可得到如圖5所示的將采集到的實時數據保存到數據庫中。利用該方法，在很多的實時監控系統中都很好地實現了數據庫的實時操作，因此，該方法具有一定的實用意義。

圖4 數據庫程序框圖

圖5 數據庫中的實時數據顯示

2.2.3 報表生成

在使用LabVIEW采集數據時，經常需要對采集進來的數據進行分析和保存，當需要產生報表時，可使用報表生成工具。

報表生成工具包支持4種報表，即標準格式、Htm l格式、Word和Excel格式的報表。用戶通過一個簡單的程序就能夠完成報表生成的各項功能，而不需要自己編寫程序與Office軟件進行ActiveX的通信，整個編成過程簡便快捷。

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

LabVIEW中的ReportGeneration子模板中提供了豐富的函數。從生成一個新的報表，設置報表頁邊距、方向、頁眉文本，向報表中添加文字、圖片和表格等到打印報表都有相應的函數可實現，并且提供了幫助文件供開發人員參考。以工業設備監測數據為例，報表生成如圖6所示[7]。

圖6 報表生成程序框圖

圖6中，可以對報表的每一個部分進行參數配置，添加曲線、數據、表格，設置字體大小，更改表格的格式和圖表的類型等，并可打印和保存報表。使用該方法可以打印格式比較復雜的報表，而且操作簡單，且因LabVIEW自帶ReportGeneration類函數，對數據較少的報表生成，可大大提高工作效率。

2.3 實時與歷史曲線顯示單元

實時顯示界面是本文系統的核心部分，主要作用是集中顯示各個監測對象的當前值。LabVIEW監控軟件能夠形象地顯示各工業設備機組及重要負載的運行狀態，同時能夠實時顯示各工業設備機組的溫度、流量、功率、轉速、電壓等參數，單擊各對應按鈕可顯示各設備機組的詳細運行狀態，如報警、電壓、功率、溫度等參數的曲線圖。在LabVIEW所提供的控件里，波形圖能夠形象清楚地描繪出現場數據在一段時間內的分布趨勢，通過波形圖，操作員可以根據各個現場數據采集點的數據變化趨勢觀察各個量的變化情況，如圖7所示。而且能查看任何歷史時刻的數據及報警信息，供現場操作人員作出適當的處理，操作簡單，界面友好。

圖7 實時數據顯示前面板

2.4 參數配置單元

參數配置界面是本文監控系統界面的重要部分，能夠實現對傳感器靈敏度、系統每一監控對象報警值和停機值、系統和串口相關設備參數的設定。為解決系統的通用性問題及參數的配置問題，軟件設置了參數配置單元，使得系統參數配置直觀形象，避免了因參數配置錯誤或各參數的位置問題給系統調試帶來的麻煩。圖8所示為系統參數配置界面。

圖8 參數配置前面板

2.5 監測報警單元

報警模塊主要是后臺軟件對節點上傳感器獲取的數據進行監測，當監測點的數據超過預先設定的上限值或低于預先設定的下限值時，后臺軟件自動彈出報警對話框，顯示報警信息，并通過顏色報警和聲音報警兩種方式來提示監控人員。監控人員要及時對報警信息進行確認處理，確認后會在報警信息欄顯示報警確認的時間和確認者；對報警后未響應的故障會持續發出聲光報警，并用紅光進行閃爍指示，直到對該故障信息處理后，才對后面的數據進行處理顯示[8]。報警事件的程序框圖如圖9所示。

圖9 報警程序框圖

2.6 人機交互設計與界面登錄單元

LabVIEW中沒有常規儀器的控制面板，但提供了豐富的前面板控件，可以利用計算機強大的圖形環境，在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來代替常規的儀器控制面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關指示燈及其他控件，同時也可以在前面板上粘貼.Bmp和.JPEG格式的圖片，完全能夠實現監控軟件的流程畫面設計，使人機界面更友好。

為了保證對生產現場工業設備監控的正常進行，防止誤操作造成生產停頓和大的經濟損失，要對操作人員的職責范圍進行明確劃分，防止操作人員的越權操作。因此，需預先定義好用戶的操作權限，若用戶要登錄系統實現控制，則需要先用相應的權限進行登錄。本文設定了3個用戶級別：(1) 工程師級，能修改系統的各種參數，清除記錄文件的內容；(2) 管理員級，能修改部分參數，能添加或刪除用戶，修改用戶權限等；(3) 操作員級，僅能查看畫面和數據，不能做任何參數修改[6]。

3 結 束 語

目前，將無線傳感器網絡與圖形化編程軟件LabVIEW相結合實現工業設備運行狀況的監控系統還很少。本文借助LabVIEW強大而便利的平臺，開發了一套適用于無線傳感器網絡監控平臺的后臺軟件，不僅能滿足現場設備監控的各種需要，且有畫面逼真、貼近現場、操作簡便安全、報表打印靈活方便、安全性可靠、移植性強等諸多優點，實際應用驗證了基于WSN的監控軟件在工業設備監控過程中的可行性。

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編 輯 漆 蓉