基于ZigBee和WLAN技術的厭氧發酵中試監控系統

秦國輝，王鋼，王玉鵬，周闖，羅向東

（1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150086；2.黑龍江省科學院，哈爾濱150001）

基于ZigBee和WLAN技術的厭氧發酵中試監控系統

秦國輝1，王鋼2，王玉鵬1，周闖1，羅向東1

（1.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱150086；2.黑龍江省科學院，哈爾濱150001）

針對厭氧發酵中試系統的數據傳輸與監控需要，本文設計了一種基于ZigBee和WLAN技術的中試厭氧發酵監控系統。其中，以ZigBee技術為核心的底層無線傳感網絡負責數據與命令的傳輸；以WLAN技術為核心的局域網絡負責視頻傳輸與互聯網接入功能，將發酵數據及視頻傳輸至指定計算機，實現厭氧發酵過程的實時檢測與監控管理，形成實時集中管理的信息化應用系統。

ZigBee；WLAN；厭氧發酵；監控系統

厭氧發酵技術不但能夠有效消除農業有機廢物、工業有機廢物以及城市生活垃圾等污染，而且能夠發掘有機廢物中含有的大量可利用生物能源。由于應用于厭氧發酵探索的中試系統普遍存在可擴展性差、缺少統一管理平臺和視頻監測、信息無法共享等缺點［1］。因此，需要發展一種自動化程度高、安全可靠的監控系統。

隨著無線網絡技術迅速發展，涌現了大量新技術。其中，基于Wi-Fi（IEEE 802.11）標準的WLAN具有價格低廉、占有率高等優勢，主要服務于計算機上網應用模式的網絡服務［2］；短程、低速率無線傳感和控制應用的ZigBee協議具有復雜度低、成本低、功耗低、延遲短、網絡容量大和安全性高等諸多優點，主要應用于儀器設備互聯與控制服務［3］。ZigBee網絡和WLAN網絡的日趨成熟為構建互聯互通、可擴展性好的遠程智能監控平臺提供了技術支撐。

為了更詳細與深入的研究、分析和驗證厭氧發酵技術，本文設計了基于ZigBee與WLAN技術構成的厭氧發酵中試監控系統。它充分利用了大數據量、高速率的多媒體壓縮碼流與小數據量、低速率的監控信號，結合了ZigBee網絡和WLAN網絡的優勢，提高了監控系統的可擴展性、經濟性和可靠性，實現了遠程智能監控。

1　系統總體設計

雙層網絡結構的厭氧發酵中試監控系統的總體結構如圖1所示。

圖1　監控系統結構圖Fig.1 Monitor system structure

該系統主要由ZigBee無線傳感網絡、視頻網絡、監控單元三部分組成。ZigBee無線傳感網絡由低功耗傳感器節點與中繼單元組成，每個傳感器節點經由ZigBee收發單元與中繼單元通信，返回采集數據或響應控制指令?；赪LAN構建的視頻網絡由視頻傳感器節點組成，每個節點進行視頻碼流的采集、壓縮處理和傳輸視頻。監控單元負責遠程監控、報警信息發布、數據存儲等。科研人員既可以采用計算機作為客戶端接，也可以隨時隨地通過移動通信設備訪問監控單元獲取發酵數據與圖像。

2　ZigBee無線傳感網絡設計

2.1ZigBee網絡

基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee技術是一種低功耗和成本的雙向無線通信協議[4]。它是物聯網領域內最具有應用前景，擁有眾多其他技術不具備的特點，在本文設計的厭氧發酵中試監控系統中，主要體現在以下幾個方面：

第一，成本低：ZigBee協議簡單，大大降低了系統組網與維護成本。

第二，安全性高：ZigBee網絡提供了數據完整性檢查，確保數據收發準確。

第三，頻率靈活：依據環境選用2.4GHz、868MHz或915MHz等免執照頻率段。

第四，網絡容量大：單個ZigBee網絡最多支持255個接入設備［5］。

ZigBee無線傳感網絡應用簡單、穩定星型拓撲建立。中繼單元實現底層ZigBee網絡與WLAN網絡的信息交流、維護和協商功能。ZigBee收發單元具有安裝方便、維護簡單和運行穩定等特點，負責處理數據并與中繼單元進行交流。當定時測量或事件觸發時，喚醒ZigBee收發單元的休眠模式發送數據，將功耗降至最低。在通信過程中，發送數據前必須偵聽信道，若信道處于繁忙狀態時，則等待下一個時間再一次偵聽，若信道處于空閑時，則發送數據。

2.2ZigBee收發單元

圖2　硬件結構圖Fig.2 Hardware structure

ZigBee收發單元采用模塊化方法設計，分為傳感器輸入單元、控制輸出單元、微處理器單元、無線通信單元與電源供給單元，其硬件結構如圖2所示。

其中，處理器單元采用Silicon Laboratories公司設計的C8051F340單片機，內置4個計數器/定時器、2個可擴展配置的全雙工UART、4K字節內部RAM與40個I/O接口，相比通用的8051結構具有更快的指令執行速度。無線通信單元采用Chipcon公司生產的CC2420芯片，與單片機通過SPI接口進行設置和數據收發，其設計技術指標超過了IEEE802.15.4標準要求，更好地保證短距離通信的有效性和可靠性。傳感輸入單元依據系統接入類型進行模數轉換?？刂戚敵鰡卧罁尤朐O備的驅動類型實現二次繼電器、電流或電壓的輸出。電源單元除了提供5VDC、24VDC、220VAC電源外，還設有電池供電電路。

2.3中繼單元

本文設計的厭氧發酵中試監控系統僅有一個中繼單元，作為接收各從站節點數據并把數據傳輸給WLAN網絡的工具，其結構框圖如圖3所示。

圖3　中繼單元結構框圖Fig.3 Relay unit block

從圖中可以看出，基站由微處理器、顯示模塊、ZigBee收發模塊、存儲模塊、串口模塊以及LAN接口模塊等組成。主要完成如下功能：

第一，利用無線ZigBee網絡收發模塊接收各個從站節點發送的采集數據。

第二，建立局域網，連接互聯網，通過遠程監控單元對數據進行分析處理。

第三，通過遠程監控單元實時修改各節點的設置參數及輸出狀態。

其中，微處理器采用C8051F340器件作為主運算CPU；顯示模塊采用串口智能顯示模塊EzUIV10_070K，觸摸屏為7.0英寸彩色TFT顯示屏，內置有256M資源存儲器；存儲模塊采用存儲芯片24c512，它是電擦除可編程串行存儲器，具有體積小、專用I/O口少、價格低廉、電路簡單等優點；LAN接口模塊搭載ARM處理器，集成了TCP/IP協議和10/100M自適應以太網接口，將TCP網絡數據包或UDP數據包與RS232接口數據實現透明傳輸的設備，模塊體積小巧，功耗低。

2.4軟件設計

系統軟件程序以C語言設計為主，它結合了高級編程語言的優點與匯編語言空間小、運行速度快等的特點，擁有突出的表達運算能力、可讀性和可移植性，具有高效的指令執行效率，其開發環境采用Silicon Laboratories IDE。程序采用模塊化設計，系統程序的結構與流程通過主程序、子程序和子過程等框架描述，并且定義了各個框架間的聯系，簡化程序的開發、調試和維護。首先定義RAM區的變量數據，之后完成C8051F340單片機、串口智能顯示模塊與ZigBee收發模塊等器件的初始化，然后依據系統規定的工作順序與狀態依次執行相關子程序，實現無線數據傳輸、顯示與輸入、傳感器數據的采集、分析與判斷等功能。

3　WLAN網絡

擁有無線路由網橋的視頻傳感器與中繼單元構成了WLAN網絡，實現了厭氧發酵的過程變量數據與現場運行視頻的遠程監控。其中，厭氧發酵中試現場的視頻與音頻模擬信號經過A/D轉換芯片轉換成數字視頻、音頻信號，送至視頻與音頻處理器產生符合MPEG_4H．264標準的壓縮音視頻碼流，然后存儲于擁有專用的FLASH、以太網接口的SDRAM中。此外，通過USB接口連接的移動硬盤、U盤可以作為音視頻流、傳感數據及報警信息的存儲設備。基于UART接口擴展的RS-485和RS-232接口簡化系統的云臺調試和控制。

4　結語

本文設計的基于ZigBee和WLAN技術的中試沼氣發酵監測系統，充分利用了ZigBee和WLAN技術的優勢，構建了集合音視頻監測、傳感器參數讀取與設備狀態控制等功能的監控系統，實現了計算機或移動通信設備實時監控運行狀態、查看歷史記錄與接收報警信息等，實現了遠程智能監控，提高了厭氧發酵中試監控系統的智能化程度、可擴展性、經濟性與可靠性，確保了沼氣發酵科研實驗的順利進行。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰［M］.北京：航空航天大學出版社，2007：128-157．

［2］段水福，歷曉華.無線局域網（WLAN）設計與實踐［M］.浙江：浙江大學出版社，2007：3-15．

［3］朱向軍，應亞萍.基于ZigBee和WLAN的智能家居監控系統的設計［J］.電信科學，2009，（06）：45-50．

［4］李建中，高宏.無線傳感器網絡的研究進展［J］.計算機研究與發展，2008，45（1）：1-15．

［5］童曉渝.新一代移動融合網絡理論與技術［M］.北京：人民郵電出版社，2012：38-39.

Pilot Monitoring System Based on ZigBee and WLAN Technology in Anaerobic Fermentation

QINGuo-hui1,WANGGang2,WANGYu-peng1,ZHOUChuang1,LUOXiang-dong1
(1.Energyand Environment Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150086,China；
2.HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150001,China）

In view of the need of data transmission and monitoring in anaerobic fermentation,this paper designs a pilot anaerobic fermentation monitoringsystembased on ZigBee and WLANtechnology.Amongthem,the underlyingwireless sensor network on the ZigBee technology is used as the core responsible for the command and data transmission.Local area network is responsible for the video transmission and Internet access with WLAN technology as the core.The fermentation data and video is transmitted to the designated computer.Achieve real time detection and monitoringmanagement ofanaerobic fermentation process.Real-time information application systemofcentralized management is developed.

ZigBee;WLAN;Anaerobic fermentation;Monitoringsystem

TK6

A

1674-8646（2015）09-0010-03

2015-05-24

秦國輝（1982-），男，遼寧丹東人，碩士，助理研究員，從事智能控制研究。