基于ZigBee的實訓車間無線監控系統

黃學飛，李兆飛，諸進才，亓曉彬

（廣州鐵路職業技術學院 機械與電子學院，廣東 廣州 510430）

“花都工學結合示范園”是廣州鐵路職業技術學院于2009年4月開始建設的花都工學結合基地，占地96畝，共建了7個生產性實訓車間，學院自行投資建有SMT、機加工、數控加工等3個車間。隨著“花都工學結合示范園”的快速發展，學院管理的設備日益增多，設備的管理與維護的工作也越來越大，無法及時掌握設備的利用率以及現場設備的運行狀況，因此難以保證及時發現設備隱患。若用人工值守方式，其成本較高，因此，探索建立技術先進、功能強大的監控系統來管理與維護花都工學結合示范園設備正常工作具有重大的意義。

1 系統總體設計方案

“花都工學結合示范園”生產性實訓車間的設備基本上已安裝固定完畢，傳統的車間設備監控系統是通過有線網絡進行信號的采集、傳輸和發送。由于車間設備多而雜、信號繁多，使綜合布線及檢查維修很不方便，而且工程量大，維護費用高。為減少系統的工作量，整個車間設備如果采用無線的方式就可以省掉布線的麻煩。考慮到當前無線信息技術的現狀，采用ZigBee技術將是系統的最佳方案。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，傳輸距離在10～75 m的范圍內，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

整個系統由上位機和下位機兩大部分構成。其中，上位機主要是對系統進行集中管理、對采集的數據進行分析和整理以及對系統的控制。下位機主要是對監控信息的采集、上傳以及接收上位機的控制指令對終端設備進行控制。下位機主要由數據采集設備和ZigBee傳輸設備兩部分組成。數據采集設備負責各個監控節點的參數采集，并將采集到的數據通過ZigBee傳輸模塊發送到ZigBee傳輸設備上，同時將接收ZigBee傳輸設備下發的控制指令。ZigBee傳輸設備作為與上位機和數據采集設備的通信中間設備，主要負責接收數據采集設備所采集的數據，并將數據上傳到上位機，同時也接收上位機的控制指令，并把該指令下發給相應的數據采集設備控制設備的運行。具體的車間無線監控系統方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

“花都工學結合示范園”生產性實訓車間的設備主要有數控銑床、數控車床、加工中心、電火花數控機床、電火花線切割機床、普通車床以及其他三坐標測量機等。數據采集設備主要采集每臺設備的運行狀態、報警信號以及輸出控制信號。對于每臺設備的運行狀態信息可以采用檢測是否有電流通過進行判斷，報警信號則通過機床的報警信號讀出，輸出控制信號主要控制設備的啟動或停止。由于系統需要將采集到的信號通過ZigBee傳輸模塊上傳到ZigBee傳輸設備，這就需要一部分硬件電路與ZigBee傳輸模塊連接，并與ZigBee傳輸設備的ZigBee傳輸模塊進行信息交換。為此，控制信息交換的電路采用微芯公司開發的PIC系列單片機。該單片機采用精簡指令集（RISC）、哈佛總線（Harvard）結構、二級流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強和簡單易學等特點，并將大量的資源全部集成在芯片內部，包括I/O、存儲器、通信接口等，使系統電路板需要的空間大大簡化，而且一些對高頻通信可能產生的干擾噪聲大大減少，加上可以用電池供電和具有低功耗模式等特點，使PIC系列單片機非常適合應用于短距離無線通信和無線網絡中。本系統采用了微芯公司的PIC18F4620單片機和TI/CHIPCON公司的CC2420最新無線ZigBee芯片。數據采集設備硬件結構圖如圖2所示。

圖1 車間無線監控系統方案

圖2 數據采集設備硬件方案

對于ZigBee傳輸設備，主要將采集到的信號與上位機交換，所以該ZigBee傳輸設備必須有一部分硬件電路與數據采集設備進行信息交換，這部分硬件電路采用ZigBee傳輸模塊與控制部分的PIC18F4620單片機進行相連。同時有一部分硬件電路與上位機進行信息交換。這部分電路采用GPRS通信模塊與控制部分的PIC18F4620單片機進行相連。GPRS模塊選擇法國WAVECOM公司生產的Q2403，該模塊符合ETSI標準GSM0707和GSM0705，下載速度為5 316 kb/s，上傳速度為2 618 kb/s。模塊提供一個符合V24協議的異步串行通信接口，支持加密算法，集成射頻電路和基帶于一體，性能穩定，可以快速、可靠地傳輸。Q2403和PIC18F4620單片機通過串行接口相連接，如圖3所示。

圖3 ZigBee傳輸設備硬件方案

該無線監控系統能夠實時地響應上位機發出的控制命令，相應的控制點按照上位機發來的命令完成相應的任務。如果上位機沒有向控制點發送控制命令，控制點則按系統設置好的時間間隔，經ZigBee網絡周期性地采集環境數據，由GPRS模塊實時地傳送到上位機中。

3 系統軟件設計

系統軟件部分由下位機與上位機兩部分組成。其中下位機軟件主要是采集數據，上位機軟件主要是管理和控制系統。

下位機軟件主要由ZigBee每個數據采集設備和ZigBee傳輸設備上的軟件組成。ZigBee每個數據采集設備主要完成數據的采集和對設備進行控制。ZigBee每個數據采集設備上電初始化后，首先判斷是否有上位機發送的控制指令，如有則先執行上位機發的控制指令，然后ZigBee每個數據采集設備則按照所設置的時間間隔進行定時的數據采集，并將采集的數據在ZigBee每個數據采集設備的單片機上進行數據處理。如果數據發生了變化則發送到ZigBee傳輸設備上，由ZigBee傳輸設備發送到上位機，并保存在服務器里。ZigBee傳輸設備主要完成數據交換的中介作用，既要通過GPRS通信模塊接收上位機的數據，并將接收到的數據通過ZigBee傳輸模塊下發給相應的ZigBee每個數據采集設備，又要通過ZigBee傳輸模塊接收ZigBee每個數據采集設備所采集的數據，并將采集的數據通過GPRS通信模塊上傳到上位機。下位機軟件流程如圖4所示。

圖4 下位機軟件流程圖

圖5 上位機軟件功能模塊結構圖

上位機軟件主要實現實時監控實訓車間設備的運行狀態、控制相應的設備、管理整個系統的運行和對采集的數據進行分析處理。主要模塊包括實時監控和報警、設備運行控制、參數配置、用戶管理、數據分析、權限管理、數據管理等功能模塊。如圖5所示。將GPRS和ZigBee技術應用到實訓車間設備監控系統，解決了實訓車間設備在管理上的諸多問題，不僅大大減輕了實訓車間設備管理人員的工作量，同時也使學院領導能及時了解實訓設備的運行狀況和使用狀況。在該系統中，采用ZigBee無線傳感器網絡技術和GPRS無線遠程傳輸技術，使該系統具有ZigBee技術的組網速度快、成本比較低、功耗比較小、網絡結構簡單、對參數能進行實時監控和遠程通信、安裝費用低廉、維護簡單等特點。該監測網絡模型具有一定的通用性和廣闊的發展前景。

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