基于ZigBee的現場安全溫度在線監控系統※

周文林,張國忠,張星,李昆

(武漢大學 動力與機械學院 自動化系,武漢 430072)

周文林(碩士研究生),主要從事嵌入式系統設計、無線傳感器網絡方面的研究;張國忠(教授),主要研究方向為計算機控制、嵌入式智能設備。

在工業生產及貨物存儲等車間現場,由于溫度過高而引起的失火或爆炸造成了慘痛的人員傷亡和財產損失,因而迫切需要對其溫度進行實時的監控[1-2]。傳統的有線傳輸不僅因鋪線等成本高,而且通信質量及后期的維護更新升級都不佳,因此在生產現場的惡劣環境下不易采用。而基于IEEE 802.15.4協議的新興ZigBee短距離無線組網通信技術,由于低功耗、低成本、短延時、大容量和高可靠等優點,在監測與控制領域得到了廣泛的應用。本系統應用了ZigBee的無線通信技術來實現對生產現場溫度的監測,利用ZigBee的組網技術來獲取溫度事件的時間與地點信息,這樣可充分地保證現場的安全生產。

1 系統設計方案

1.1 總體設計思想

為了實現溫度監測、時間記錄及空間定位3項功能,本系統采用圖1所示的設計。整個ZigBee網絡包含3種設備:ZigBee協調器(ZigBee Coordinator,ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Router,ZR)和ZigBee終端設備(ZigBee End Device,ZED)。同時,應用了兩種網絡拓撲結構:Star(星型)網絡和Mesh(網狀)網絡。

圖1中,位于網絡外圍的4個ZR是作為空間定位的參考節點,主要起中繼器的作用,轉發來自ZED的RSSI/LQI數據至ZC以實現空間定位;分布在生產環境終端的6個攜帶溫度傳感器的ZED,主要實現周期性地檢測現場溫度的功能,并將溫度數據信息分別用LCD實時顯示和以無線方式傳輸出去;處在網絡中心的ZC是整個網絡的協調控制器,直接與PC機相連,能夠利用上位機VB程序提取各ZED的溫度數據,并根據4個ZR的RSSI/LQI數據計算出ZED的空間位置信息。

圖1 系統設計示意圖

由ZC和6個ZED組成的Star網絡(如圖1中帶雙箭頭的實線所示),主要將ZED采集的溫度數據無線傳輸到ZC,從而實現溫度監測的功能;而由ZC、ZR和ZED共同組成的Mesh網絡(如圖1中的虛線和點畫線所示),主要是獲取并傳輸有關ZED與ZR距離的RSSI/LQI數據,從而運用基于RSSI/LQI的定位原理來實現空間定位的功能。由于無線和串口通信的高速率性,溫度數據從ZED傳輸至ZC再被上位機程序所提取的整個過程時間延遲非常短,因此可將上位機提取到溫度數據的那一刻作為事件發生的時間(即ZED檢測到現場溫度數據的時刻)。

1.2 溫度監控的設計

溫度監控應用了組網技術中的Star網絡拓撲結構,使多個ZED節點和單個ZC進行雙向ZigBee無線通信,保證了數據信息的實時傳輸與獲取。其設計方案如圖2所示。

系統分別將6個ZED放置在不同的生產車間里或設備上,使ZED周期性地檢測現場環境溫度,并通過Zig-Bee方式將溫度數據信息傳輸至ZC;由上位機監控軟件提取ZC接收到的溫度信息,進行處理后實時地顯示在監控界面上,并且通過監控軟件自主設定安全溫度范圍等系統參數,并傳輸給ZC和ZED,從而達到監控的目的。

圖2 溫度監控設計方案

2 系統硬件設計

2.1 應用芯片簡介

Freescale公司推出的MC13213是一款可以搭建符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz低功耗收發器平臺的集成MCU。它通過內部SPI連接RF和HCS08,具有低功耗、高集成度等優點,同時擁有豐富的外部接口資源。

LM75A是具有高速I2C總線接口的集成數字溫度傳感器,內部Temp寄存器存放一個11位二進制數的補碼,用來在-55～+125℃的溫度范圍內實現0.125℃的精度。

FT232BL是一款USB接口轉換芯片,實現USB到串行UART接口的轉換,有多種電路設計方式,配合使用EEPROM 可存儲USB VID、PID等產品描述信息。

LCD1602是一款內嵌驅動及字符的液晶顯示模塊。由于MC13213的I/O數目的限制,其采用4線數據的連接方式,將8位數據分兩次各4位地間接傳送。

SP3220E為TTL轉RS-232的電平轉換芯片。

2.2 硬件電路設計

圖3為硬件電路的邏輯結構圖。

圖3 硬件電路的邏輯結構圖

針對系統的低功耗及低成本,根據所要實現的功能在圖3的基礎上進行篩選。ZED、ZR、ZC分別采用不同的設計電路,其篩選組合的方式如表1所列。

表1 ZED、ZR、ZC的電路模塊組合

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計思想

為了實現溫度監控與空間定位的功能,系統網絡中的各類設備須相互通信、協調合作。軟件設計思想如圖4所示。ZED利用攜帶的 LM75A周期性地檢測生產現場的溫度,然后在LCD1602上實時顯示溫度信息以供現場操作,并向ZR和ZC發送溫度數據;ZR主要是度量接收ZED數據的RSSI/LQI值,并發送給ZC以達到對ZED空間定位的目的;ZC接收來自ZED及ZR的數據,通過USB/RS-232接口與上位機VB程序及Internet網絡通信,利用上位機監控軟件或遠程網絡,集中在線對整個ZigBee網絡的協調和ZED生產現場進行安全溫度的監控。

圖4 軟件設計的規劃圖

3.2 溫度檢測程序的設計

LM75A內部A/D每隔100 ms執行一次溫度—數字的轉換,并將轉換得到的11位二進制數的補碼數據存放進Temp寄存器中,從而實現0.125℃的溫度精度。系統需要注意讀取LM75A溫度數據的頻率,并且應將讀取Temp中的數據轉換成實際真實的溫度值。

若Temp數據的MSB位D10=0,則溫度是一個正數:

若Temp數據的MSB位D10=1,則溫度是一個負數:

為了兼顧現場顯示與遠程監控,ZED依據式(1)、(2)利用 C語言的移位等命令獲得實際溫度值,并在LCD1602上實時顯示(當現場溫度超過設定的安全范圍時,蜂鳴器報警),而直接讀取 Temp的兩個字節發送至ZigBee網絡中。

3.3 空間定位的實際數學模型

為了獲得 LQI值與距離 d之間的數學關系,系統需要對不同的d測量大量接收數據的LQI值。以一片開闊的籃球場作為實驗基地,利用卷尺等工具在0～64 m范圍內測量LQI值。在相同的d距離下連續測量不同方向的60組數據,并將10個最值濾波舍去,求平均值作為該距離d的LQI。然后,利用 Matlab軟件對各距離下的LQI—d數值進行一個分段對數函數的曲線擬合,求得實際數學模型。擬合曲線如圖5所示。

圖5 LQI—d的擬合曲線

圖5的分段擬合曲線表達式為:

由于實測LQI值易受干擾,波動性較大不穩定,因此對ZED空間定位時在一個周期內連續測量24組數據,然后濾去4個最值求取平均值作為定位的 LQI。為了提高系統的速度和穩定性,定位應用程序根據式(3)在上位機中采用VB語言進行編寫,從而減輕了ZigBee網絡的數據處理負擔。

3.4 應用程序的設計

無線傳感器網絡一般需要解決數據碰撞及網絡地址分配等問題,這樣才能使整個ZigBee網絡穩定工作,數據信息準確傳輸。特別是以ZC為終點的無線通信,很可能因在同一時間內接收多個ZR或ZED的數據而造成數據丟幀。為了使數據信息準確無丟失地在ZC、ZR和ZED之間相互傳輸,系統采用了“時間片輪轉法”使各ZigBee設備分時發送數據。整個網絡中共有11個ZigBee設備,其中ZC除了短暫的發送監控命令外,大部分時間是接收4個ZR轉發的LQI值和來自6個ZED的溫度采集數據。系統設定1 s為整個網絡的工作周期,期間ZC需接收來自ZR和ZED共10個設備的數據來實現溫度監控與空間定位的功能。因此,每個ZR或ZED各有100 ms的發送時間,均須在預定的100 ms內完成數據成功發送任務。

網絡地址的分配一般以通信便捷和節省字節開銷為佳。在溫度監控的Star網絡中,ZC須同時能夠與6個ZED的任意一個或多個進行雙向通信;而在空間定位的Mesh網絡中,ZC采取主動的廣播通信方式向各ZR發送提取LQI命令,隨后4個ZR輪流在各自的100 ms內完成發送LQI的工作。針對這種情況,系統采用了以1個char(8位)類型的字節來制定網絡中各設備的地址:由于各ZED需可同時工作,故用Bit0～Bit5分別對應ZED1～ZED6;而4個ZR是輪流在各自100 ms內工作,所以采取Bit6、Bit7兩位的組合00、01、10及11來對應ZR1～ZR4。

3.5 上位機VB程序的設計

系統利用MC13213的兩組SCI接口分別設計了經SP3220E轉換的RS-232真實串口和經FT232BL轉換的虛擬串口(此時已不是真實意義上的USB接口了),所以兩者都需以RS-232串口通信協議與PC上位機程序進行雙向通信。具體實現功能如下:

①時間同步功能。使用Timer控件來給系統運行提供時間刻度,以便記錄事件發生的實時時間。在監控軟件上,既可選擇PC機的時間,也可自主設定起始運行時間。

②空間定位功能。主要是基于定位公式編寫程序,使各ZED的空間坐標能夠實時地在上位機監控界面上顯示。

③溫度監控功能。實現ZED的溫度信息傳送至ZC,被上位機提取與運算并在監控界面上顯示;同時,通過監控軟件配置各類控制參數,并反向發送給ZED。

④事件發生的信息記錄功能。為了保存溫度事件發生的現場信息,監控軟件利用了CommonDialog控件將相關信息寫入一個txt文件中,并能自主選擇txt保存的目錄。

4 實驗數據分析及總結

為了驗證性能及參數指標,選擇了一棟58 m×26 m×23.5 m的生產廠房作為實驗基地,將4個ZR分別放置在A(55,0,0)、B(0,25,0)、C(0,0,20)及D(0,0,0)從而建立空間坐標系,而將6個ZED移動地分別放在各個車間里進行測試采集數據。

4.1 溫度監測

為了驗證溫度監控的準確性及有效精度,在相應車間內放置了一個精度為0.1℃的工業溫度計,測量到的實際溫度來作為ZED測溫的參考。測量溫度和實際溫度的比較如表2所列。

表2 測量溫度和實際溫度的比較

由表2可知:溫度監控系統誤差小、精度高,最大絕對誤差為+0.175℃,最大相對誤差為0.738%,符合現場安全溫度監控的要求。

表2的溫度絕對誤差都是正數,說明測量溫度均偏高。其主要原因是,LM75A是焊接在PCB板上的,芯片要正常工作就需消耗電能,內部產生的熱量難以散失;同時,板上元器件布局不合理,使得其他器件產生的熱量也傳向LM75A,所以實測溫度比現場室溫偏高。

4.2 空間定位

在監控軟件上獲得的各ZED坐標位置數據的同時,利用皮尺等工具測量對應的坐標長度作為空間定位的對比。空間定位與實際位置的關系如圖6所示。

圖6 空間定位的數據圖

可見,空間定位的誤差較小,最大的定位誤差為ZED3的1.104 5 m,在工程的允許范圍內,達到了系統對溫度事件的定位目標。利用 LQI進行空間定位,從本質上講是基于能量法的。圖5的LQI—d曲線數據是在戶外理想狀態下測得的,而生產現場環境惡劣,無線通信常受到障礙物影響,因此難免有所誤差。另外,由于RF收發天線不是嚴格意義上的全向,因此在相同距離而位于不同方向時所接收的LQI值也有所差別。

結 語

本文設計了基于ZigBee的生產現場安全溫度在線監控系統,提出了三要素(溫度監測、時間記錄及空間定位)全方位設計理念,介紹了系統的硬件、軟件及上位機監控程序的設計方法。測試表明,該監控系統具有精度高、功能完善、運行穩定及性價比高等優點,有一定的實用價值。若將本系統的 RS-232/USB進一步擴展到GPRS或Internet,并與生產現場總控制室相連,則系統的功能和使用范圍都將得到很大的拓寬。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網站www.mesnet.com.cm。

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