基于ZigBee的造紙廢水遠程監控系統設計與實現

張修建 趙 茜 梁振虎 王君本

(1.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島，066004;2.西北工業大學電子信息學院，陜西西安，710129)

基于ZigBee的造紙廢水遠程監控系統設計與實現

張修建1趙 茜1梁振虎1王君本2

(1.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島，066004;2.西北工業大學電子信息學院，陜西西安，710129)

針對造紙工業廢水處理過程的遠程監控問題，提出了一種基于ZigBee的遠程監控系統設計方案。在給出系統體系結構和節點軟硬件設計過程的基礎上，利用無線傳感器網絡和Web應用技術等設計了系統各功能模塊，實現了造紙廢水處理遠程監控功能。用戶使用瀏覽器便可對造紙廢水廠的流程畫面與實時數據進行遠程監控與在線分析。

遠程監控;數據傳輸;無線傳感器網絡;造紙污水處理;ZigBee

遠程監控是指通過計算機網絡實現對遠程工業生產過程的監視和控制。現有的監控系統大多采用有線方式進行數據傳輸，但存在復雜度高、擴展性較差、維護困難、無法遠程訪問等問題。在造紙廠廢水處理工藝中，現場作業的環境比較惡劣、布線比較困難，如果采用有線通信方式往往投入很大［1-3］。為解決這些問題，在工業污水監控系統中引入ZigBee無線通信技術，用以解決因現場數據采集點所處環境惡劣、偏僻分散、監測點較多、鋪設固定通信線路成本過高等問題。

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率和低成本的無線通信技術，基于ZigBee技術的無線傳感器網絡應用于造紙廢水各項指標的測量及控制，具有網絡容量大、可靠性高、組網靈活、延展性強及系統維護簡單等優點［4-5］。運用ZigBee技術組成無線傳感器網絡，對實現工業現場監控管理的信息化、自動化，改善工人的工作條件以及加強現場事故的應急處理能力具有非常重要的意義。

本課題利用Internet和無線傳感器網絡技術實現了對造紙工業廢水處理的監視和遠程控制，實現資源共享，以達到管理、控制和監控的目的。面向基于工業無線網絡在遠程監控系統的應用，提出了一種基于ZigBee網絡的遠程監控系統的設計方案及其功能實現，討論了系統軟硬件實現的可行性并給出系統主要界面。

1 系統總體設計方案

為了達到對造紙工業廢水處理現場進行遠程監控與管理的目的，系統必須具備數據采集、遠程傳輸、分析處理、存儲管理、遠程監控等功能。為滿足系統的功能要求，將系統設計成如圖1所示的結構［6］。該系統分為現場數據采集與控制子系統 (現場監控端)、數據接收與存儲子系統 (監控中心)和客戶端數據管理與監控子系統 (遠程監控端)3個子系統。

圖1 基于ZigBee的遠程監控系統結構示意圖

數據采集與控制子系統，由終端節點、路由節點、協調器節點和執行控制設備等組成。傳感器節點用于采集現場數據，并采用自組多跳路由無線方式把監測數據定時發送到協調器節點，再由協調器節點將收集到的數據通過串口傳輸至監控中心通信控制計算機。另外，執行控制設備接受監控中心轉發來的控制命令，對命令進行解析、驗證，然后采取相應的動作。

數據接收與存儲子系統，主要有通信控制計算機、數據庫服務器和Web服務器組成，通信控制計算機通過串口與底層設備實時數據通信，完成現場數據的分析和處理的控制，將現場參數和設備狀況寫入數據庫服務器，并從數據庫服務器中獲取遠程操作控制命令。Web服務器完成通過服務器擴展技術如CGI、ASP、JSP等與客戶端的動態交互;數據庫服務器配合用戶賬號的管理、各種現場數據及控制參數的存儲和管理，以備Web服務器訪問。

客戶端數據管理與監控子系統，是用戶通過瀏覽器直接與其交互的界面，從監控中心獲取監測數據或向其發送控制命令。該系統采用ASP.NET動態網頁進行技術開發。因采用B/S模式設計，用戶端只需使用標準的Internet瀏覽器即可訪問服務器資源，不存在客戶端程序的開發和維護［7］。用戶只要通過瀏覽器就能監測到終端節點實時采集的各類數據，將歷史數據以列表和曲線的形式顯示出來，還可以分析并顯示出ZigBee網絡路由結構。

如圖1所示，由不同的傳感器節點組成的基于ZigBee的無線傳感器網絡，應用到造紙廢水遠程監控系統中。這些節點分布隨機部署在廢水處理池的感知區域內，用來監測每個處理池中各處的廢水處理狀況，將終端節點采集的數據經多跳路由匯集到協調器節點，同時協調器節點也可以將信息發送給各節點。協調器收到無線節點數據幀后，進行數據匯集，然后通過RS-232串口與通信控制計算機相連接，供串口通訊程序讀取，實時傳輸工業現場內傳感器的監測數據。通信控制計算機接下來將數據進行分析、計算，處理后的數據再通過以太網傳輸到數據庫服務器上，寫入自定義的數據庫。當監控中心接入Internet時，管理者和技術研究人員就可以在任何時候、任何地點監測到所采集的信息，對造紙廢水處理狀況進行實時監控。

2 系統關鍵技術設計與實現

2.1 無線傳感器節點硬件設計

造紙工業廢水處理現場監測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環境較惡劣的地區，而無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的廢水處理環境中?；赯igBee的傳感器節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4部分組成，能完成數據采集、信號檢測和傳遞信息的任務［8］。為便捷地實現ZigBee網絡通信，選用JN5139無線模板作為系統核心芯片。JN5139芯片是一種低功耗、低成本的無線微控制器，適用于IEEE802.15.4和ZigBee的軟件應用。芯片集成了一個32-bit RISC處理器，可充分兼容2.4 GHz IEEE802.15.4收發器，提供了192KBROM，96KBRAM以及4路12位ADC和2路11位DAC，另外還提供了豐富的模擬量和數字外圍設備接口。因此，JN5139僅需添加少量的外圍元件就可以完成ZigBee通信功能的硬件實現。

網絡的拓撲結構采用樹狀網。其中終端節點由簡化功能設備RFD(Reduced Function Device)擔任，主要完成對工業廢水各參數的采集處理，可以與路由節點及協調器節點進行通信。路由節點及協調器節點由全功能設備FFD(Full Function Device)擔任，用來接收終端節點采集的數據，可與網絡中任何類型的設備進行通信。其中路由節點負責傳送或轉發連接在其上的ZigBee終端設備數據，協調器節點負責建立ZigBee網絡，之后，它與其他路由節點一樣，負責路由和轉發數據，并且維持ZigBee網絡。每個ZigBee網絡至少需要一個FFD實現網絡協調功能，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD，使用RFD用來降低能耗［9］。除了協調器具有 RS232通信接口外，RFD和FFD的硬件結構完全相同，主要區別放在軟件方面。

工業現場在線監測儀表包括電磁流量計、工業酸度計、在線pH值測量儀、COD傳感器等。終端節點通過JN5139內部12位AD獲取傳感器采集數據，其模擬通道根據實際應用可以連接不同類型的傳感器，在每路數據前加參數類型標示，因此多路數據組幀時無需按順序放置，數據解析時依然可以正確獲取數據的物理意義。某一設備出現故障不會影響其他設備的正常工作，同時網絡中的數據傳輸采用了碰撞避免機制和完全確認的數據傳輸機制，而且網絡層和MAC層都有安全策略［10］，各個應用可以靈活確定其安全屬性，所以整個網絡的可靠性和安全性都比較高。

2.2 傳感器網絡管理軟件設計

傳感器網絡管理軟件主要分2個部分:終端節點的數據采集和傳送模塊;協調器節點數據接收和發送模塊。協調器發布廣播，要求終端節點上傳各自的信息數據，終端節點在收到協調器下發的命令后，將傳感器采集到的電壓值以數據包的形式通過路由器轉發或者直接發送給協調器節點，數據幀格式如圖2所示。如果要監測網絡的拓撲和路由結構，可以在節點ID后添加節點自身網絡地址、父節點網絡地址以及相應的路由信息來實現［11］。

圖2 數據幀格式

本系統設計中，網絡中的節點ID采用統一的編碼方式，“節點信息”字段數據長度為1字節，其中低四位為RFD節點號，高四位為FFD節點號。根據高四位將數據幀發送到相應的FFD，FFD再通過低四位編碼將數據幀發送到對應的RFD，即對應的現場采集點。每個無線節點將采集到的電壓值數字化，放在開辟的2 byte空間的低12位，高四位用于標示方向位及物理量的類型，如:溫度為0000(上行)，流量為0001(上行)，這樣在數據解析時可以有效區分數據的物理意義。

為了保證網絡的成功搭建，監測網絡采用唯一的網絡PAN ID，每個節點包含一個唯一的MAC地址。終端節點上電后首先進行信道掃描，信道設置成與現有的協調器信道相同，并提供正確的認證信息，然后與協調器建立連接。節點加入網絡后，從其協調器得到一個網絡地址作為網絡中唯一的身份標識。實現數據傳輸的程序流程如圖3所示。

圖3 ZigBee終端節點程序設計流程圖

協調器上電后首先初始化協議棧，然后進行能量檢測，選擇合適的信道，啟動并建立ZigBee網絡。此后，即可允許路由節點或終端節點與其連接，接收來自各個節點的數據，并將數據通過RS-232通信接口發送到到監控中心通信控制計算機，程序流程圖如圖4所示。

在服務器端運行的通信控制計算機軟件采用VC++開發工具設計，串行通信采用MSComm控件完成數據幀的發送與接收。傳感器節點定時發送數據給自己的路由節點，只有進行數據采集及控制時，才處于工作狀態，數據發送完后便進入休眠狀態，以節省功耗，延長使用壽命。

2.3 數據管理平臺設計

基于B/S結構設計的數據管理平臺，結合了ASP.NET在Web應用上的優勢，允許用戶在客戶端瀏覽器上實時監控來自ZigBee無線傳感器網絡傳來的數據，實現了遠程終端瀏覽器在線監測、分析和處理傳感器節點數據的功能。

圖4 ZigBee協調器節點程序設計流程圖

在本系統中，監控中心通信控制計算機采用VC++實現實時數據訪問與讀取機制，把從工業現場采集的各節點數據處理后將其發送到數據庫服務器，也可以把遠程監控端發出的控制指令通過ZigBee網絡發送給終端，根據工藝要求控制加藥泵的啟停等實現遠程控制。數據庫服務器實現對各監測點廢水數據的存儲和管理，它存儲報警數據、采集的廢水參數、控制命令及設備的工作狀態等。數據庫使用關系數據庫SQL Server 2000。在軟件上，對數據庫服務器的實時數據庫管理采用了關系數據庫與內存數據庫相結合的方式。

運用基于C#的ASP.NET技術，從數據庫中調用這些參數放到Web頁面上，提供給登錄的用戶實時監控。另外，WEB應用程序服務器采用IIS5.0，并采用ADO.NET來實現數據庫的訪問。Web服務器通過響應遠程客戶的HTTP請求，從Web數據庫中獲取工業現場的實時信息，生成HTML網頁發布到客戶端瀏覽器，并將客戶提交的控制命令存入數據庫服務器。ADO.NET是.NET框架下的新的數據訪問技術，利用ADO.NET可以方便高效地實現數據庫的訪問。系統數據庫服務器與Web應用程序服務器分離，有利于數據的安全及Web應用程序服務器的升級和維護［3，12］。

3 系統監控效果與分析

系統首先在實驗室內進行軟硬件開發，組裝并調試成功，此后又將系統安裝到造紙廠廢水處理，實際現場進行測試和應用。該系統經過現場測試及運行后，達到了預期的設計目標和控制效果，傳輸數據可靠，對于大量數據的存儲、報表分析處理和實時讀取效果理想，尤其是在簡化設備安裝布線、提高系統移動性和數據管理等方面效果十分顯著。對于無線通信系統來說，外部干擾是不可避免的，所以系統安裝時要盡量減少或排除干擾因素的影響。

授權用戶登錄系統后，利用瀏覽器可以在線監測到不同區域現場各設備的實時運行情況、ZigBee協調器組網狀態、系統流程監視、報表統計分析、趨勢曲線分析、遠程故障診斷等信息，還可以根據當時需求，遠程實時調整現場設備的控制參數達到生產要求。系統運用Ajax技術進行異步通信獲取實時數據，然后利用得到的數據，通過JavaScript來構造VML圖形對象形成實時監測曲線，該監控系統的流量動態繪制曲線的界面如圖5所示，當鼠標移動到曲線某點處時，會顯示出對應的坐標值及設備運行狀況。該監控系統在線查詢歷史數據報表的實際運行界面如圖6所示。

4 結論

基于ZigBee的造紙廢水遠程監控系統的設計與實現，利用無線傳感器網絡的分布式特點，有效地解決了傳統監測系統遇到的拓撲結構固定、布線繁瑣等問題，同時與Internet的結合，又為實現數據共享、遠程監控提供了非常便捷的途徑。該監控系統具有友好的操作界面，可以不受地理位置的限制，便于環保局環境監控中心的審核及相關管理;技術人員不必親臨生產現場就可以獲取重要生產數據和設備運行狀態，進行遠程設備控制和故障診斷;管理維護人員可以根據遠端現場生產狀況及時進行分析、制定規劃等，從而更好地實現企業內部的信息共享和及時決策。系統操作簡單、節點部署簡單靈活、工作穩定、共享度高，很好地實現了對造紙廢水處理的遠程監控。該系統具有良好的遠程可操作性，它在石化、電力、工業污水處理等行業的生產監控自動化中也具有廣泛的應用前景。

［1］Daniel Aguado，Christian Rosen．Multivariate statistical monitoring of continuous wastewater treatment plants［J］．Engineering Applications of Artificial Intelligence，2008，21(7):1080．

［2］Xia Hong-Bo，Jiang Peng，Wu Kai-Hua．Design of water environment data monitoring node based on ZigBee technology［C］．International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering，2009．

［3］陳 宇，趙雨斌，苗滿香．分布式溫濕監控系統在造紙行業的研究與應用［J］．中國造紙，2008，27(10):47．

［4］Ding Fei，Song Guangming，Yin Kaijian．Design and implementation of ZigBee based gateway for environmental monitoring system［C］．International Conference on Communication Technology Proceedings，2008．

［5］Han Huafeng，Du Keming，Sun Zhongfu．Design and application of ZigBee based telemonitoring system for greenhouse environment data acquisition［J］．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25(7):158．

［6］陳鵬展，陳益平，胡德安．基于Web的焊接過程遠程監控系統構建［J］．中國機械工程，2007，18(8):941．

［7］張 騰，張 鋒，李英春．基于Web的紙廠堿回收工段遠程監控技術［J］．中國造紙，2008，27(5):48．

［8］Akyildiz I F，Su W L，Sankarasubramaniam Y，et al．A survey on sensor networks［J］． IEEE CommunicationMagazine，2002，40(8):102．

［9］任秀麗，于海斌．ZigBee無線通信協議實現技術的研究［J］．計算機工程與應用，2007，43(6):143．

［10］王舒憬，黨彥博，黃 河．ZigBee無線傳感器網絡結合GPRS實現遠程監控［J］．儀表技術，2008(3):13．

［11］呂西午，劉開華，趙 巖．基于Zigbee的無線監測系統設計與實現［J］．計算機工程，2010，36(5):243．

［12］孫忠富，曹洪太，李洪亮，等．基于GPRS和WEB的溫室環境信息采集系統的實現［J］．農業工程學報，2006，22(6):131．

Design and Implementation of ZigBee Based Remote Monitoring System for Paper Wastewater

ZHANG Xiu-jian1，*ZHAO Xi1LIANG Zhen-hu1WANG Jun-ben2
(1．Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei Province，066004;2．Institute of Electronic Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an，Shanxi Province，710129)
(*E-mail zxjwell@163．com)

A ZigBee based remote monitoring system design method is proposed for remote monitoring paper mill wastewater treatment in this paper．Based on the proposed system framework and designing process for the hardware and software of the nodes，we design the system’s function modules by using wireless sensor network and WEB application technology，and realize the remote monitoring and control functions for paper wastewater treatment．The process pictures and data in paper wastewater plant can be monitored remotely and analyzed by the browser．

remote monitoring;data transmission;wireless sensor networks;chemical industrial wastewater treatment;ZigBee

X793;TS736+.4

B

0254-508X(2011)07-0040-05

張修建先生，碩士;研究方向:造紙工業污水處理技術、遠程監控等。

2011-03-01(修改稿)

國家自然科學基金 (60934003)。

(責任編輯:馬 忻)