王晨康，趙曉軍，李瑞，張紅北

（河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定071000）

基于ZigBee的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王晨康，趙曉軍，李瑞，張紅北

（河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定071000）

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域的某些設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)受溫濕度的影響很大，為此提出了本設(shè)計(jì)方案。此套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)和無(wú)線WiFi設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括ZigBee模塊、WiFi模塊和溫濕度傳感器模塊。上位機(jī)軟件程序是在vs2010平臺(tái)下由C#語(yǔ)言編寫，其中包括C/ S模式的后臺(tái)應(yīng)用程序和B/S模式的前臺(tái)應(yīng)用程序，整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)測(cè)，為設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

ZigBee；WiFi；溫濕度監(jiān)測(cè)；C#

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的某些設(shè)備對(duì)溫濕度很敏感，一旦防護(hù)不利會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失?；赯igBee的無(wú)線傳感技術(shù)具有低成本、低功耗、高可靠性、高安全性、低數(shù)據(jù)率以及全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，可以輕松地解決此方面的問(wèn)題[1]。所以本設(shè)計(jì)采用固定ZigBee節(jié)點(diǎn)跟移動(dòng)ZigBee節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的方式來(lái)動(dòng)靜結(jié)合地監(jiān)測(cè)整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域，其中固定的節(jié)點(diǎn)就是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分布安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器部分，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就是依靠智能電瓶車攜帶ZigBee節(jié)點(diǎn)并配備溫濕度傳感器來(lái)移動(dòng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度數(shù)據(jù)，并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)給固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)無(wú)線WiFi發(fā)給服務(wù)器，監(jiān)控終端登錄服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，從而確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)總體框架

整套系統(tǒng)包括3大部分：現(xiàn)場(chǎng)ZigBee無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、WiFi/ZigBee網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控終端。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和智能電瓶車（配備ZigBee移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及溫濕度傳感器）實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)組成中間傳輸線路負(fù)責(zé)把這些數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器[2]。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)把ZigBee協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)傳到確定地址的服務(wù)器上。服務(wù)器上的數(shù)據(jù)有很多種，除溫濕度數(shù)據(jù)外，還有各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的分布及工作情況等，所以監(jiān)控終端需要分類，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終監(jiān)控終端通過(guò)B/S模式的前臺(tái)服務(wù)網(wǎng)站調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度情況。一旦出現(xiàn)不良情況可以及時(shí)采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

2 ZigBee工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)。它具有成本低、功耗低、便于應(yīng)用、速率低、時(shí)延短、免許可無(wú)線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、可靠數(shù)據(jù)傳輸性、網(wǎng)絡(luò)容量大、自配置、三級(jí)安全模式等特性，以2.4 GHz為主要頻段，適合小數(shù)據(jù)流的傳輸[2]。整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端采集節(jié)點(diǎn)全部采用此芯片。終端節(jié)點(diǎn)需要在CC2530的最小電路上接上各種傳感器，用來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ZigBee硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域，并且在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但是有多個(gè)路由器，該協(xié)調(diào)器和路由器全部為全功能器件。網(wǎng)絡(luò)中的終端采集節(jié)點(diǎn)使用的是簡(jiǎn)約功能器件。ZigBee無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)擁有多個(gè)高級(jí)冗余的通信路徑，如果其中一條路徑中斷，網(wǎng)狀網(wǎng)會(huì)自動(dòng)選擇其中最短的一條路徑維持正常通信，這就在很大程度上提高了連接的質(zhì)量[4]。為了確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，只需把ZigBee路由節(jié)點(diǎn)放置得更密集一些。為了預(yù)防各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常情況而不被發(fā)現(xiàn)，所有終端節(jié)點(diǎn)每隔1 min向離其最近的路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次信息，與此同時(shí)各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地監(jiān)聽其周圍終端節(jié)點(diǎn)的信息，如果5次監(jiān)聽不到某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的信息，就默認(rèn)此節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，即刻向上級(jí)協(xié)調(diào)器發(fā)送故障警報(bào)[2]。網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程如圖3所示。

2.4 ZigBee移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程圖

現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)依靠智能電瓶車配備ZigBee終端節(jié)點(diǎn)并攜帶溫濕度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)。把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，配合現(xiàn)場(chǎng)的ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)來(lái)全方位地監(jiān)測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。此處采用信號(hào)能量強(qiáng)度檢測(cè)的方法來(lái)確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的不失真和連續(xù)性。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧定義，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的芯片定位就是采用信號(hào)強(qiáng)弱測(cè)定的方法，在每次通信過(guò)程中接收方都能根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值RSSI和LQI來(lái)定位計(jì)算信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離[5]。Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)聽移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)廣播的RSSI和LQI來(lái)進(jìn)行定位計(jì)算，與預(yù)先設(shè)定好的路由節(jié)點(diǎn)的最大門限值R SSI（Max）和LQI（Max）進(jìn)行比較。如果連續(xù)3次都比預(yù)先設(shè)定的門限值大，則該路由節(jié)點(diǎn)馬上查找其相鄰的路由表。如果在相鄰的路由表中查不到該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則立即判斷此節(jié)點(diǎn)為新進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，并且馬上把此節(jié)點(diǎn)注冊(cè)為新的子節(jié)點(diǎn)并及時(shí)通知該移動(dòng)子節(jié)點(diǎn)解除與原父節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)[5]。從而保證了網(wǎng)絡(luò)在切換中的正常通信。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換接入流程如圖4所示。

圖4 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換接入流程

3 ZigBee/W iFi網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

ZigBee/WiFi網(wǎng)關(guān)的功能就是把監(jiān)測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的服務(wù)器上，網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)包括ZigBee模塊、WiFi模塊。ZigBee模塊與WiFi模塊之間通過(guò)RS232進(jìn)行互聯(lián)通信，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee模塊的核心器件，它的外圍設(shè)備具有一個(gè)RS232接口和4個(gè)按鍵。在WiFi模塊內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議棧并且符合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，它通過(guò)R S232接口與ZigBee模塊進(jìn)行互聯(lián)通信。利用DC-DC轉(zhuǎn)換器把電源模塊的5 V輸出電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，使WiFi模塊和Zig-Bee模塊正常工作。ZigBee節(jié)點(diǎn)把接收到的現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成UART數(shù)據(jù)，再通過(guò)R S232接口與WiFi連接，由WiFi模塊把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，然后把處理完的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)傳送出去。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸作為下行數(shù)據(jù)，WiFi網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)作為上行數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，經(jīng)處理后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給WiFi模塊以無(wú)線的形式傳送至遠(yuǎn)端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中[6]。其中工作流程圖如圖6所示。

圖6 工作流程圖

4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在vs2010平臺(tái)下用C#語(yǔ)言編寫系統(tǒng)上位機(jī)的軟件程序，其結(jié)構(gòu)組成如圖7所示[7]。B/S模式的前臺(tái)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序由3部分組成，即：系統(tǒng)登錄界面程序、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序。對(duì)登錄的用戶采取權(quán)限處理，權(quán)限不同登錄的界面不同，進(jìn)而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺(tái)服務(wù)程序，通過(guò)Socket通信與WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過(guò)SQL語(yǔ)句把從服務(wù)器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工，生成可視化內(nèi)容供用戶參考，進(jìn)而做出相應(yīng)的決策。

圖7 上位機(jī)結(jié)構(gòu)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中分布安裝了10個(gè)固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)，智能電瓶車配備溫濕度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)。智能電瓶車上的ZigBee節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果傳給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)而上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器，然后把接收到數(shù)據(jù)傳給WiFi/ZigBee網(wǎng)關(guān)，最終WiFi網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后上傳到監(jiān)控室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)控終端的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的監(jiān)測(cè)，并且通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)及WiFi/ZigBee網(wǎng)關(guān)把監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)給服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)聯(lián)合，最終把結(jié)果顯示在前臺(tái)界面上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供了有力的保障。

[1]祝曉東，肖四友．ZigBee技術(shù)在無(wú)線溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，2007（12）：82－85．

[2]趙曉軍，溫丁一，申軍濤，等.基于ZigBee的遠(yuǎn)程濕地監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電視技術(shù)，2014，38（5）：124-127.

[3]胡占報(bào).ZigBee技術(shù)及在無(wú)線抄表中的應(yīng)用[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]陶曉玲，黃廷磊，王勇．ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)探討[J]．廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，23（3）：67-71．

[5]劉騫，孫懋珩．ZigBee網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入與切換機(jī)制仿真分析[J]．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008（1）：60－62．

[6]杜永慧，李允俊.ZigBee和WiFi的雙模無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式技術(shù)應(yīng)用，2013（9）：39-45.

[7]明日科技．C#程序開發(fā)范例寶典[M]．北京：人民郵電出版社，2007.

The industrial field remote monitoring system based on ZigBee

Wang Chenkang，Zhao Xiaojun，Li Rui，Zhang Hongbei
(College of Electronic and Information Engineering，Hebei University，Baoding 071000，China)

Some device′s operation in the field of modern industrial areas is affected greatly by temperature and humidity.So，we propose this design.The design of this monitoring system is based on ZigBee wireless sensor technology and wireless WiFi.The hardware structure of the system includes ZigBee module，WiFi module，temperature and humidity sensor module.The upper computer software is programmed by C#under VS2010 platform，including the C/S mode background applications and the B/S mode foreground application.The entire system realizes real-time temperature and humidity monitoring of the entire industrial site.It provided a strong guarantee for the normal operation of devices.

ZigBee；WiFi；temperature and humidity monitoring；C#

TP89

A

1674-7720（2015）09-0015-03

2015-03-03）

王晨康（1990-），男，在校學(xué)生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（10203549D）;河北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（Z2011252）

趙曉軍（1965-），男，教授，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)。