基于Internet和ZigBee的制造車間分布式遠程監測系統*

□ 袁 佳 □ 焦志曼 □ 余建波

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

隨著我國工業化進程的推進和自動化程度的提高，現場數據監測與控制技術被廣泛應用于各類工業過程，并逐漸呈現網絡化、遠距離的特點。現有的數據監測系統大都使用有線方式，在各采集點安放傳感器，通過現場總線或工業以太網傳輸數據［1］，存在線路多、布線復雜、維護困難等缺點，降低了系統的靈活性、可擴展性和可維護性，增加了系統成本［2］，在很多特定區域無法順利使用。而與無線通信技術相結合的無線監測系統則無需布線，可忽略監測環境的不利條件影響，隨意增減數據采集點，自動組網，且監測節點功耗低、生命周期長，既方便使用又節省布線成本［3］。

文獻［4］提出了一種開放式、模塊化、分布式智能控制系統的拓撲結構，給出了將工業以太網直接應用于車間數字設備智能控制的設計方案。文獻［5］根據一些環境溫度、濕度實時監測的需要，以SHT10為溫、濕度傳感器，設計實現了溫、濕度的數據采集與傳輸。文獻［6］設計了一種結合Zigbee和GPRS的遠程監控系統，可以對遠程的狀態信息進行監控和實時采集。文獻［7］開發了一種基于嵌入式網絡技術的遠程監測系統，驗證了嵌入式網絡技術的有效性和應用系統的可行性。

針對現有車間監測系統存在的問題，本文開發了一種基于Internet和ZigBee的制造車間分布式遠程監測系統，有效地將有線通信和無線通信相結合，充分發揮Internet網絡覆蓋范圍廣和ZigBee無線自組網、低功耗的特點，實現優勢互補。該系統監測終端無需布線，擴展性強，使用能耗低，控制靈活方便。智能監測終端通過組建ZigBee無線網絡實現對制造車間的狀態監測，同時和Internet通信相結合，通過與遠程控制中心PC計算機連接，可接入互聯網實現遠程智能監測，最后以溫、濕度傳感器為例，對制造車間分布式監測系統做了實際驗證。

1 系統架構

本文提出了基于Internet和ZigBee的制造車間分布式智能監測系統（如圖1所示），系統主要包括車間網橋、ZigBee無線通信模塊、終端監測模塊。在ARM微處理器中移植RT-thread操作系統作為網橋，通過路由器與以太網連接，實現車間監測無線通信網絡與Internet網絡的通信連接。

▲圖1 系統架構圖

系統工作流程：車間監測網絡采用星型網絡結構，制造車間信息數據在監測網絡中自由傳輸，經ZigBee模塊傳送至網橋，由網橋通過Ethernet模塊傳輸至外部網絡，用戶可以通過上位機遠程智能監測界面，實時查看制造車間狀態信息，也可以通過手機或PC機實時在線查看，網橋對控制命令作出判斷和響應，根據數據幀中的信息，控制相應監測節點，做出相應的動作。

2 硬件系統設計

2.1 網橋設計

網橋就是外部Internet網絡與ZigBee無線監測網絡的一個連接點，實現車間監測數據信息網與外部通信網協議的轉換，主要用來處理遠程車間監測信息。網橋以ARM微處理器為中心建立硬件平臺，對外通過以太網接口接入Internet網絡，對內將ZigBee無線網絡和終端監測節點連接成一體，用戶通過遠端PC機或手機就可以對車間狀態信息進行查詢與控制。

▲圖2 網橋硬件結構圖

如圖2所示，設計的網橋硬件電路主要包括控制器（STM32F107VCT6）模塊、通信模塊（UART、ZigBee和Ethernet）、存儲模塊（I2C掉電存儲模塊和SD存儲模塊）、網卡模塊（Realtek8201網卡芯片）等。控制器是整個網橋的核心，此系統采用意法半導體公司推出的STM32F107VCT6芯片作為網橋核心微控制器，它是一款基于Cortex-M3內核的全新STM32互連型（Connectivity）微控制器，集成了各種高性能工業標準接口，且與STM32不同型號產品在引腳和軟件上具有完美的兼容性。通過外擴存儲器、通信接口、調試接口等構成硬件平臺，其中STM32F107VCT6通過MII接口與RTK8201網卡模塊完成數據交換，其差分輸入和輸出連接到帶網絡隔離變壓器的RJ45接口的HR91105A上，其硬件連接如圖3所示。

▲圖3 網橋硬件結構圖

▲圖4 ZigBee節點硬件結構圖

2.2 ZigBee無線模塊設計

ZigBee網絡模塊是整個系統的核心，它主要由CC2430控制芯片、CC2591功放芯片以及少量的外圍器件構成。CC2430芯片是用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統，它在內部整合了基于IEEE802.15.4標準的射頻無線收發器、一個工業級小巧高效的8051微控制器和Flash內存［9］。但是CC2430芯片本身的通信距離十分有限，因此要增加一個功放芯片CC2591來加大節點通信距離，減少通信延時，增加通信穩定性。

ZigBee無線網絡［10］中包含終端監測節點、協調器節點等。A/D轉換驅動電路以及傳感器信息采集電路與ZigBee模塊相連，構成終端監測節點，實現制造車間狀態信息實時監測；協調器節點由一個ZigBee模塊和RS232接口組成，負責創建和管理網絡，接收遠程無線控制信號并傳向ZigBee網絡。各終端節點和協調器共同構成了系統的ZigBee網絡部分，其硬件結構如圖4所示，其中協調器節點沒有A/D轉換驅動電路，主要實現無線數據的雙向傳輸。

2.3 終端監測模塊設計

監測終端主要包括無線模塊、傳感器采集模塊和顯示模塊，以SHT11傳感器為例，對傳感器采集模塊作詳細說明，實現對制造車間狀態信息的實時監測。采用數字溫、濕度傳感器SHT11測量制造車間環境的溫、濕度，通過LCD1602實時顯示，并通過無線模塊將采集信息發送到協調器，經由網橋發送到上位機顯示，傳感器SHT11采集接口電路如圖5所示，LCD1602顯示接口電路如圖6所示。

SHT11溫、濕度傳感器測量精度較高且可精確測出露點，同時不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。CC2430與SHT11連接只需用2條I/O線，分別作為數據線DATA和時鐘線SCK，并在DATA端加上拉電阻，用于將信號提拉為高電平，同時在VDD及GND接入去耦電容，再通過相應的程序編寫，即可完成制造車間溫、濕度環境信息的采集與傳輸。

▲圖5 溫、濕度傳感器接口電路圖

▲圖6 LCD1602接口電路原理圖

顯示器件選用液晶顯示模塊LCD1602，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，能夠同時顯示16×02即32個字符，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，因此很適合應用于車間實時狀態信息的顯示，能夠多行信息同時顯示，使用方便靈活。

3 軟件系統設計

3.1 ZigBee組網模塊設計

ZigBee支持3種網絡拓撲結構：星型結構、簇樹結構和網狀結構。其中，簇樹和網狀網絡結構較為復雜；星型網絡相對簡單，便于管理，建網容易，擴展方便，控制靈活，很適合應用于制造車間狀態信息監測，因此，選擇組建ZigBee星型網絡。ZigBee星型網絡由ZigBee協調器和終端節點兩部分組成，協調器節點負責建立并維護一個ZigBee無線網絡，識別終端節點加入無線網絡；終端節點負責數據采集和終端動作的執行。組網協議采用的是美國密西西比州立大學的MSSTATE_LRWPAN協議棧［11］，該協議棧可用于多種硬件平臺，實現了協調器、路由器和精簡功能節點之間的樹路由、直接消息傳輸以及采用靜態綁定方法的間接路由。

組網模塊軟件設計主要實現兩方面功能：①協調器和終端子節點間的組網和通信；②實時監測車間狀態信息并顯示。這里具體介紹ZigBee無線網絡的建立過程：首先協調器節點通過aplFormNetwork（）建立ZigBee無線網絡，網絡建立完成后，進入無限循環運行apsFSM（）狀態機，監聽入網請求信息，其它節點發送入網請求后，通過aplJoinNetwork（）加入網絡，入網成功后運行apsFSM（）狀態機，通過APP_STATE_RUN_APPn執行應用程序。ZigBee協調器節點流程如圖7所示，ZigBee監測節點流程如圖8所示。

3.2 系統控制軟件設計

系統控制軟件采用C#語言編寫，通過Socket技術建立與制造車間網橋的通信連接，包括通信連接、實時監測、日常維護、數據管理等模塊。控制界面能實時獲取每個車間網橋對應的IP地址和端口號，用戶通過此界面向不同IP地址下的監控終端發出實時監測采集命令，靈活方便地實現制造車間狀態信息的遠程智能監測。

3.3 通信采集協議

遠程監測中心向智能監測節點發送包含控制命令的數據包，智能監測節點按照雙方約定的協議解析收到的數據包，根據解析出的負載信息執行相應的功能。數據包協議見表1。

數據頭：固定設置為F5，表示一幀數據的開始。事件號：事件類別，0x01表示普通控制消息，0xEE表示器件狀態消息。上/下行：上行方向為：終端→協調器→控制器→上位機，按此方向傳輸的數據包此位設置為TRUE即0x01；下行方向為：上位機→控制器→協調器→終端，按此方向傳輸的數據包此位設置為False即0x00。長度：為源端點+目的端點+控制位+狀態位。源端點：發送控制信息的端點。目的端點：接收控制信息的端點。功能位：也稱標識位，表示要監測的是何種狀態信息，0x01表示溫、濕度信息，0x02表示油壓、油溫信息，0x03表示水壓、氣壓信息，0x04表示轉速、流量信息，0x05表示負載、重量信息，以此類推。地址位：0x00～0xFF，0x01代表1號車間，0x02代表2號車間，以此類推，0x00表示全部車間，最多可同時檢測255個車間狀態信息。數據尾：固定設置為5F，表示一幀數據的結束，與數據頭一起作為數據傳輸的校驗碼，只有數據頭和數據尾都正確，接收的數據才為一幀有效數據。

4 系統驗證

本實驗對開發的基于Internet和ZigBee的制造車間分布式智能監測系統進行了測試，包括系統監測軟件、網橋、ZigBee協調器、智能監測終端。ZigBee協調器和終端監測節點組建星型網絡，協調器通過串口RS232連接網橋，網橋通過RJ45接口和網線連接加入Internet網絡，通過上位機監測軟件監聽網橋，實現PC機與網橋的通信，通過監測軟件發送監測命令即可遠程監測車間狀態信息。

▲圖7 協調器組網流程圖

▲圖8 監測節點程序流程圖

表1 系統通信數據包協議

▲圖9 車間實時狀態監測系統

測試結果：ZigBee協調器節點上電即可組建網絡，延時時間很短；使用外接天線，節點間信息有效傳輸距離確保在20 m左右，即監測區域為半徑20 m的圓，完全覆蓋單個車間范圍；終端監測節點掉電重新上電后能夠加入網絡，入網速度與距離有關，但延時不會太久；Internet局域網內，PC機與網橋連接有2～3 s的延時，連接成功后，監測命令響應及時，車間實時狀態信息能在監測軟件和液晶屏上準確顯示，實時波形如圖9所示。

5 結束語

本文以ZigBee無線通信模塊為核心，在CC2430芯片的基礎上，研發了基于Internet和ZigBee的制造車間分布式智能監測系統，以傳感器SHT11為例，完成制造車間溫、濕度的實時監測，該系統具有較大的靈活性和擴展性，具有布點靈活、能耗低、使用方便等特點，通過選擇不同傳感器，能夠很好滿足工程機械、工業生產、倉儲物流等很多場合的參數監測需求，具有較好的應用前景。

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