焊接廠房基于ZigBee的溫濕度監控系統

劉棟材 / 王 琪

1.廣州雅居樂房地產開發有限公司 廣州 510000；

2. 二十三冶建設集團有限公司安裝分公司，湖南 長沙 410014；

3.廣東工業大學 廣州 510000

引言

高大焊接廠房的除塵除濕控溫系統不但能保證焊接質量的可靠，還能提高工人的勞動條件，目前國內已有很多此類工程。高大焊接廠房在焊接過程中產生的煙霧含有大量的有害金屬物質，這些二氧化硫、二氧化錳等化合物漂浮在空氣中，其煙塵的30%～80%是微米級以下的顆粒，極易被人體吸收，嚴重污染車間的工作環境，危害工人的健康[1]。尤其夏季比較炎熱，相對濕度較高，而焊接對廠房的溫、濕度均有較高的要求，特別是相對濕度，直接影響焊縫質量，因此焊接車間需進行空調除塵除濕。要使除塵除濕控溫系統達到良好的控制效果，必須在車間的各點均勻地布置一定數量的溫濕度傳感器和送風筒，普通的溫濕度傳感器需與系統用電纜連接。由于廠房內的管線多、設備多，且車間跨度大、空間高，實際施工時布線的難度很大。

1 高大焊接廠房除塵除濕控溫系統原理概況

圖1 高大焊接廠房除塵除濕控溫系統原理圖

如圖1所示：安裝在廠房兩側或中部靠近地面的送風筒將空調機組中的低溫新風送入車間內，在地面層以上形成新風空氣層，對焊接車間產生的廢氣、塵埃等溫度較高的微小熱顆粒產生向上的浮力。而在車間頂部的回風口存在較大的負壓，在二者的共同作用下，車間內會形成一個均勻向上的氣流，后續新風將車間內產生的廢氣、塵埃等物質取代[2]。從而達到除塵的目的，而除濕和控溫則通過改變送風的溫度和濕度來實現。因此必須對廠房內外的溫濕度進行監控，系統再選擇相應的工況。根據車間內的熱源（焊接工位）分布情況布置溫濕度傳感器和送風筒的位置，系統從溫濕度傳感器獲得某個位置（焊接工位）的溫濕度數據，與設定值對比，通過調節送風筒閥門的開度來控制送風風量、送風溫度，達到控制指定位置（焊接工位）溫濕度的目的。

傳統的除塵除濕控溫系統的送風筒、溫濕度傳感器需要敷設電纜至控制柜，存在以下三個問題：

1) 線路敷設需跨越廠房的天車，高度高、距離遠、施工和維護困難。

2) 傳感器安裝后只能在一個點固定，可能出現監測盲區。

3) 當要增加監測點時必須敷設電纜，工程量較大。

而采用基于ZigBee的溫濕度監測系統則完全可以避免以上問題。不必鋪設控制柜至送風筒、傳感器的電纜，可以節省費用和時間。并且具有網絡節點多、傳輸距離遠、調試簡單、節省PLC輸入模塊點數、改變溫濕度傳感器節點測量位置和增加或減少傳感器節點數目都非常方便等優點。

在此背景下，本文結合近年來發展迅猛的ZigBee及無線傳感器網絡技術，提出了一種新型的溫濕度采集控制系統。該系統由若干網絡節點組成，各節點通過ZigBee協議進行通信。整個系統工作于全自動狀態，通過采集車間內外的溫濕度信息，并根據這些信息的變化來自動切換和設置相應的空調模式。例如：在不同的季節采用不同的空調模式，夏季制冷，冬季制熱。在一天的不同時段調節機組制冷、制熱量、送風回風風量等。

2 ZigBee簡介

ZigBee網絡中的設備分為FFD(全功能設備) 和RFD(簡化功能設備)兩種，其中FFD設備作為協調器(coordinator)使用。FFD是具有路由與中繼功能的網絡節點，可以與RFD節點通信也可以與別的FFD節點通信；RFD節點作為網絡終端節點，相互間不能直接通信，只能通過FFD節點發送和接收信息，不具有路由和中繼功能。

3 系統架構

ZigBee網絡的拓撲結構有星型網(star)、樹型網(Cluster tree)和網狀網(mesh)3種[3]，如圖2所示。其中，星型網由一個協調器節點和多個網絡終端節點組成，終端節點通過協調器實現彼此間的通信；樹型網是由一個協調器組織的多個星型網，擴大了網絡的覆蓋范圍，網絡終端節點可以接入協調器節點，也可任意接入具有路由功能的FFD節點。網狀網是一種高可靠性的Ad Hoc網絡，和樹型網不同的是具有路由功能的FFD節點相互間可以直接路由信息，所以網狀網通過自組織和無線路由功能可提供多個數據通信路徑。當最優的通信路徑發生故障時，網狀網會在冗余的其他路徑中選擇最合適的路徑供數據通信。因此，網狀網有效縮短了信息傳輸時延并提高了網絡通信的可靠性。由于高大廠房內空間空曠，且機組的控制柜至傳感器的最遠直線距離不超過100m，因此采用星型結構即能滿足要求。

圖2 ZigBee網絡3種拓撲結構

ZigBee路由器ZigBee協調器監控終端

4 兩種模式的投資對比

圖4 傳統溫濕度監測原理圖

圖5 Zigbee溫濕度監測?原理圖

圖3 溫濕度監測系統硬件框圖

傳統溫濕度監測與Zigbee溫濕度監測的區別是Zigbee的監控系統取消了溫濕度傳感器與控制柜PLC的電纜，改為在傳感器處利用Zigbee模塊直接向控制柜PLC傳送信息，在傳感器附近的低壓配電箱內取電源供電。平均共能節省RVVP 4×1.5電線1000m。且不再需要敷設橫跨車間頂部的線槽和電纜，減少高空作業的工作量。具有勞動強度小、工程投資少等優勢。

以1臺機組6個溫濕度傳感器為例，兩種不同方案的預算費用如下：+0×010×020×030×040×050×060×070×080×090×10（數據，共0×0A Bytes）。

表1 原有系統預算費用

簡單易用：不用考慮ZigBee協議，自動組網，是目前市場上應用ZigBee最簡單的方式。

高安全性：無線數據空中加密。

唯一IEEE地址：DRF系列模塊采用的TI CC2530F256芯片，出廠時已經自帶IEEE地址，用戶無需另行購買IEEE地址[4]；

在本工程中共采用了兩種類型的ZigBee模塊：Zigbee發送模塊及Zigbee接收模塊。其中Zigbee發送模塊與溫濕度傳感器直接連接，并將溫濕度傳感器的模擬信號轉換為數字信號，再發送給通過RS232接口與PLC連接的Zigbee接收模塊，從而完成了數據的采集。

表2 Zigbee系統預算費用

由以上兩個表格對比可以看出，采用Zigbee模塊的溫濕度監控系統比傳統模式節約投資45%，在經濟上具有可行性。

圖6 Zigbee無線數據模塊-DRF1601

5 DRF系列ZigBee 模塊

為便捷的實現ZigBee網絡通信，減少開發環節的流程和時間，在本工程的實際應用中采用了深圳市鼎泰克電子有限公司開發的DRF系列ZigBee模塊。該系列模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，運行ZigBee2007/PRO協議的ZigBee模塊，它具有ZigBee協議的全部特點。

該系列模塊的主要特點

自動組網：所有的模塊上電即自動組網，Coordinator自動給所有的節點分配地址，不需要用戶手動分配地址、網絡加入應答等。

簡單數據傳輸：通過串口即可在任意節點間進行數據傳播（Router只進行數據轉發，不接收/輸出串口數據），數據傳輸的格式為：0×FD（數據傳輸命令）+ 0×0A（數據長度）+ 0×730×79（目標地址）

6 結語

通過采用Zigbee模塊取代溫濕度傳感器，減少了施工難度、縮短了施工工期、降低了工程投資成本。溫濕度傳感器的布置和位置更改也變得非常容易，且數據傳輸的速度和質量沒有降低，證明在高大焊接廠房除塵除濕控溫工程溫濕度監控系統中應用Zigbee模塊具有很好的前景。

[1]鄂保良，朱恩平，等.焊接煙塵的污染與凈化[J].陜西環境，2002,10(5):20-23.

[2]柳移城.置換通風在高大空間廠房除塵除濕中的應用[J].2004,06(4):31-32.

[3]高文華,康琳,柴婷婷,等.基于ZigBee的溫濕度監測系統[J].電子測量技術,2008,10(10):122-124.

[4] 深圳市鼎泰克電子有限公司. ZigBee 模塊用戶手冊[M].