基于ZigBee的工業現場遠程監測系統設計*

王晨康，趙曉軍，李瑞，張紅北

（河北大學電子信息工程學院，河北保定071000）

基于ZigBee的工業現場遠程監測系統設計*

王晨康，趙曉軍，李瑞，張紅北

（河北大學電子信息工程學院，河北保定071000）

現代工業現場領域的某些設備能否正常運轉受溫濕度的影響很大，為此提出了本設計方案。此套監測系統是基于ZigBee無線傳感技術和無線WiFi設計的。系統的硬件結構包括ZigBee模塊、WiFi模塊和溫濕度傳感器模塊。上位機軟件程序是在vs2010平臺下由C#語言編寫，其中包括C/ S模式的后臺應用程序和B/S模式的前臺應用程序，整套系統實現了對整個工業現場領域的實時溫濕度監測，為設備的正常運轉提供了強有力的保障。

ZigBee；WiFi；溫濕度監測；C#

0 引言

現代工業現場的某些設備對溫濕度很敏感，一旦防護不利會造成重大的經濟損失。基于ZigBee的無線傳感技術具有低成本、低功耗、高可靠性、高安全性、低數據率以及全數字化等優點，可以輕松地解決此方面的問題[1]。所以本設計采用固定ZigBee節點跟移動ZigBee節點相結合的方式來動靜結合地監測整個工業現場領域，其中固定的節點就是在工業現場分布安裝ZigBee節點作為ZigBee網絡的路由器部分，移動節點就是依靠智能電瓶車攜帶ZigBee節點并配備溫濕度傳感器來移動監測現場的溫濕度數據，并把監測到的數據發給固定的ZigBee節點，最后通過無線WiFi發給服務器，監控終端登錄服務器實時監測現場各區域的溫度、濕度等數據，從而確保設備正常運轉。

1 系統總體框架

整套系統包括3大部分：現場ZigBee無線監測網絡、WiFi/ZigBee網關和監控終端。總體結構如圖1所示。

圖1 系統的總體結構圖

現場監測網絡包括固定的ZigBee節點組成的靜態網絡和智能電瓶車（配備ZigBee移動節點及溫濕度傳感器）實現的移動網絡。路由節點組成中間傳輸線路負責把這些數據傳給協調器[2]。網關負責把ZigBee協調器接收到的數據傳到確定地址的服務器上。服務器上的數據有很多種，除溫濕度數據外，還有各個ZigBee節點的分布及工作情況等，所以監控終端需要分類，然后存儲到數據庫中，最終監控終端通過B/S模式的前臺服務網站調取數據庫中的數據，實時監控整個工業現場的溫濕度情況。一旦出現不良情況可以及時采取相應補救措施。

2 ZigBee工業現場監測網絡設計

2.1 ZigBee無線通信技術

ZigBee技術是近幾年發展起來的一種短距離無線通信技術。它具有成本低、功耗低、便于應用、速率低、時延短、免許可無線通信頻段、多種組網方式、可靠數據傳輸性、網絡容量大、自配置、三級安全模式等特性，以2.4 GHz為主要頻段，適合小數據流的傳輸[2]。整個ZigBee無線網絡包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準[3]。

2.2 ZigBee節點硬件設計

TI公司生產的CC2530F256芯片作為ZigBee網絡的核心，網絡中的協調器節點、路由節點以及終端采集節點全部采用此芯片。終端節點需要在CC2530的最小電路上接上各種傳感器，用來采集現場的各種環境數據。結構如圖2所示。

圖2 ZigBee硬件結構圖

2.3 ZigBee靜態網絡設計

ZigBee網絡覆蓋整個工業現場領域，并且在ZigBee網絡中只有一個網絡協調器，但是有多個路由器，該協調器和路由器全部為全功能器件。網絡中的終端采集節點使用的是簡約功能器件。ZigBee無線網狀網擁有多個高級冗余的通信路徑，如果其中一條路徑中斷，網狀網會自動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量[4]。為了確保系統數據傳輸的穩定性和可靠性，只需把ZigBee路由節點放置得更密集一些。為了預防各個終端節點出現異常情況而不被發現，所有終端節點每隔1 min向離其最近的路由節點發送一次信息，與此同時各個路由節點實時地監聽其周圍終端節點的信息，如果5次監聽不到某個終端節點的信息，就默認此節點發生故障，即刻向上級協調器發送故障警報[2]。網絡建立過程如圖3所示。

2.4 ZigBee移動網絡設計

圖3 ZigBee網絡構建流程圖

現場移動網絡依靠智能電瓶車配備ZigBee終端節點并攜帶溫濕度傳感器來實現對現場溫濕度數據的移動監測。把采集到的數據發送到ZigBee路由節點，配合現場的ZigBee靜態網絡來全方位地監測工業現場。此處采用信號能量強度檢測的方法來確保數據傳輸過程中的不失真和連續性。根據ZigBee協議棧定義，ZigBee網絡中的芯片定位就是采用信號強弱測定的方法，在每次通信過程中接收方都能根據接收到的信號強度值RSSI和LQI來定位計算信號點與接收點之間的距離[5]。Zig-Bee網絡中的路由節點實時監聽移動節點，并根據移動節點廣播的RSSI和LQI來進行定位計算，與預先設定好的路由節點的最大門限值R SSI（Max）和LQI（Max）進行比較。如果連續3次都比預先設定的門限值大，則該路由節點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節點，則立即判斷此節點為新進入網絡的節點，并且馬上把此節點注冊為新的子節點并及時通知該移動子節點解除與原父節點的關聯[5]。從而保證了網絡在切換中的正常通信。移動節點切換接入流程如圖4所示。

圖4 移動節點切換接入流程

3 ZigBee/W iFi網關設計

ZigBee/WiFi網關的功能就是把監測到的溫濕度數據傳輸到遠端的服務器上，網關的硬件結構包括ZigBee模塊、WiFi模塊。ZigBee模塊與WiFi模塊之間通過RS232進行互聯通信，其硬件結構如圖5所示。

圖5 系統網關硬件結構

TI公司生產的CC2530F256芯片作為ZigBee模塊的核心器件，它的外圍設備具有一個RS232接口和4個按鍵。在WiFi模塊內部嵌有TCP/IP協議棧并且符合無線網絡協議IEEE802.11b/g標準，它通過R S232接口與ZigBee模塊進行互聯通信。利用DC-DC轉換器把電源模塊的5 V輸出電壓轉換為3.3 V，使WiFi模塊和Zig-Bee模塊正常工作。ZigBee節點把接收到的現場溫濕度數據先轉換成UART數據，再通過R S232接口與WiFi連接，由WiFi模塊把接收到的數據進行解析處理，然后把處理完的數據轉換成WiFi信號傳送出去。ZigBee無線傳感網絡中的數據傳輸作為下行數據，WiFi網絡中的數據作為上行數據，下行數據傳輸到網關ZigBee協調器模塊，經處理后通過串口將數據傳輸給WiFi模塊以無線的形式傳送至遠端的網絡服務器中[6]。其中工作流程圖如圖6所示。

圖6 工作流程圖

4 系統上位機軟件設計

在vs2010平臺下用C#語言編寫系統上位機的軟件程序，其結構組成如圖7所示[7]。B/S模式的前臺網頁服務程序由3部分組成，即：系統登錄界面程序、系統監測界面程序和系統用戶操作界面程序。對登錄的用戶采取權限處理，權限不同登錄的界面不同，進而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺服務程序，通過Socket通信與WiFi進行數據傳輸，并且通過SQL語句把從服務器上得到的數據存入數據庫，對數據進行進一步加工，生成可視化內容供用戶參考，進而做出相應的決策。

圖7 上位機結構

5 實驗結果

實驗中分布安裝了10個固定的ZigBee節點來構建靜態網絡以傳輸數據，智能電瓶車配備溫濕度傳感器采集現場溫濕度數據。智能電瓶車上的ZigBee節點把采集到的數據結果傳給ZigBee網絡中的路由節點進而上傳到ZigBee協調器，然后把接收到數據傳給WiFi/ZigBee網關，最終WiFi網關把數據進行格式轉換后上傳到監控室的網絡服務器上，從而實現對工業現場的實時監測。監控終端的監測結果如圖8所示。

圖8 監測結果

6 結論

本設計實現了現場溫濕度的監測，并且通過ZigBee網絡及WiFi/ZigBee網關把監測結果發給服務器，實現網網聯合，最終把結果顯示在前臺界面上，實現了對工業現場溫濕度的實時監測，為設備的正常運行提供了有力的保障。

[1]祝曉東，肖四友．ZigBee技術在無線溫室數據采集系統中的應用研究[J]．計算機應用系統，2007（12）：82－85．

[2]趙曉軍，溫丁一，申軍濤，等.基于ZigBee的遠程濕地監控系統設計[J]．電視技術，2014，38（5）：124-127.

[3]胡占報.ZigBee技術及在無線抄表中的應用[D].天津：河北工業大學，2007.

[4]陶曉玲，黃廷磊，王勇．ZigBee網狀網技術探討[J]．廣西師范學院學報：自然科學版，2006，23（3）：67-71．

[5]劉騫，孫懋珩．ZigBee網絡移動節點接入與切換機制仿真分析[J]．計算機與現代化，2008（1）：60－62．

[6]杜永慧，李允俊.ZigBee和WiFi的雙模無線網關設計[J].單片機與嵌入式技術應用，2013（9）：39-45.

[7]明日科技．C#程序開發范例寶典[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，在校學生，主要研究方向：物聯網。

河北省科學技術研究與發展計劃項目（10203549D）;河北省教育廳科學研究計劃項目（Z2011252）

趙曉軍（1965-），男，教授，主要研究方向：工業機器人、嵌入式、物聯網。