基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監控系統設計

李玉峰，陳海軍，佟強，郭磊

（軟控股份有限公司信息物流系統事業部，山東 青島 266045）

基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監控系統設計

李玉峰，陳海軍，佟強，郭磊

（軟控股份有限公司信息物流系統事業部，山東 青島 266045）

針對輪胎企業成型車間溫濕度監控需求，提出了一種新穎系統解決方案。通過采用最新的zigbee技術和高精度溫濕度傳感器SHT21，實現了企業級車間內部溫濕度信息的集中監控管理。經驗證，該系統運行可靠、易于組網，為企業提升產品品質、降低能源消耗、深化工藝控制創造了條件。

溫濕度監控；Zigbee；無線通訊；SHT21

在輪胎成型工序，車間溫濕度是一項重要的環境變量，對輪胎的品質有著重大影響，隨著“數字化車間”和“智慧工廠”的推進，傳統的在車間中部位置放置1套溫室傳感器和LED屏幕進行溫濕度采集顯示的方式已遠不能滿足現代輪胎生產工藝控制的需求，網絡化、智能化和可視化的車間溫濕度監控系統才能更好的滿足生產的需要。本文設計的基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監控系統，采用高精度超小體積的溫濕度數字傳感器SHT21，運用最新的物聯網技術，達到了對整個車間的多個溫濕度采集點的靈活布置和組網通訊控制、對數據實時性采集的目的，配合系統的報警提示功能，最終實現對整個車間溫濕度可視化監控，使之保持在工藝要求的可允許范圍內，進而達到穩定生產、提升產品質量和降低能耗的目的［1］。

1 系統組成及其工作原理

該系統主要是通過底層分布式溫濕度采集終端對信息的實時采集和控制傳輸，完成車間溫濕度信息歸集功能，經企業數據服務器通過對這些數據的分析，企業管理者就可對本企業、本車間的溫濕度信息情況進行很好的掌控，上位機的分析決策系統根據該信息進行啟動或關閉相關設備的操作，最終保證車間溫濕度值保持在設定的范圍內。本文設計的溫濕度系統框圖如圖1所示。

該系統主要由底層溫濕度采集終端、網絡通訊采集設備和上位機管理系統平臺三部分組成，溫濕度采集終端分散安裝在車間內預定的位置，功能是采集當前區域內的溫濕度信息，網絡通訊設備主要是將車間內分散的信息點的數據高效、完整的傳輸到上位機系統內，上位機管理系統平臺主要是對采集到的信息進行展示和綜合分析并形成決策。

在本系統中，溫濕度采集終端和集中器之間的通訊采用Zigbee的方式，該方式通訊效率高且穩定可靠，易于分散安裝，集中器和上位機系統之間的通訊采用光纖以太網或GPRS的方式，該系統的工作原理為：溫濕度采集終端采集各采集區域內的溫濕度信息并進行顯示、判斷和記錄，當該點溫濕度信息高于或低于設定值時做出報警指示并對該報警信息進行記錄；集中器主要是對溫濕度信息進行數據和告警信息讀取并傳送到上位機系統，同時執行上位機系統對底層各分散采集終端的控制命令；上位機根據集中器上傳的車間內各采集點的溫濕度信息進行綜合分析，依據設定值和內部算法做出相應的控制指令來調節車間內的溫濕度值，形成一個大的閉環系統，最終使車間溫濕度值保持在設定的范圍內。

圖1 系統架構圖

2 系統硬件電路設計

該系統的硬件電路主要由微處理器、電源電路、通訊電路、存儲電路、時鐘電路、顯示電路、鍵盤輸入電路等組成，系統原理框圖如圖2和圖3所示。

2.1 微控制器電路

圖2 溫濕度終端原理框圖

微控制器是溫濕度采集終端和溫濕度集中器的核心單元，主要完成程序調用、數據處理及判斷、數據采集上傳等功能，選用的高性能的工業級32位RISC處理器AT91SAM7X256。它的工作電壓范圍為2.7～5.5V，可以很好的和其他器件兼容，具有1個以太網接口、1個時間窗看門狗定時器、3個串行通訊USART接口、2個SPI通訊接口 和1個兩線串行接口TWI，同時具有13個外圍數據DMA控制器通道，可以很方便的實現系統和外界進行數據交換。它可以為嵌入式控制提供靈活、高性價比的方案，特別適合用到以太網、Zigbee無線通信領域的場合，因此選用AT91SAM7X256作為本系統的微控制器。

2.2 溫濕度檢測電路

圖3 集中器終端原理框圖

本單元是整個系統的感知環節，也是系統關鍵部分，溫濕度檢測的核心是傳感器的選型及應用。本系統選用Sensirion公司的高精度、低功耗、超小體積的精密溫濕度傳感器SH21，在20%～80% RH的濕度范圍內該傳感器的典型濕度精度±2%RH，在25～42 ℃溫度范圍內該傳感器的溫度精度±0.3 ℃。SHT21 采用標準的I2C 協議進行通訊，采用雙側無引腳扁平封裝結構，方便系統的小型化設計［2］，功能電路圖如圖4所示。

在上述電路中，U5是溫濕度傳感器芯片SHT21，R17、R18是上拉電阻，目的是為了避免信號沖突，C5是去耦合電容。

圖4 溫濕度檢測電路

2.3 Zigbee通訊電路

Zigbee無線網絡具有低功耗、高可靠性、自組網、自恢復及冗余性能優異等特點，廣泛應用低數據率監控的各個領域，通過該種短程無線通訊技術車間內各個溫濕度監控節點可以方便靈活的進行通訊。本系統選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規范和IEEE 802.15.4標準，它由一個含有基帶modem的射頻收發器、硬連線的MAC和內嵌8051內核的微控制器（帶有內部Flash存儲器）組成［3］，功能電路圖如圖5所示。

圖5 zigbee通訊電路

在該電路中，U4是zigbee模塊zicm2410，DS1、DS2、DS3是zigbee通訊的三個狀態指示燈，R21、R22、R23是三個指示燈的限流電阻；C6、C7、C8、C9是輸入電源的濾波電容，用于給U4提供一個穩定的工作電壓。

2.4 繼電器控制電路

該部分電路是控制輸出的執行部分，當溫濕度采集終端采集到的本地溫濕度值不在設定的范圍內時，給出一個聲光報警信息，用于提示相關人員做相關操作。本系統中采用的繼電器是磁保持繼電器，和一般繼電器相比具有功耗低、負載能力強、體積小等優勢，本系統中選用的型號是廈門宏發電聲股份有限公司的磁保持繼電器HEF7，功能電路圖如圖6所示。

圖6 繼電器控制電路

在該電路中，Q1、Q2是可控開關，電阻R10、R11是限流電阻，用于降低三極管Q1和Q2的功耗，R5、R6是為讓Q1、Q2可靠截止而設置的，R3、R4是為調整Q1和Q2的放大倍數而設置的，在應用中其阻值可靈活進行調整以滿足系統需要，D1、D2是反向續流二極管，用于抑制浪涌，保護繼電器。

3 系統軟件設計

為實現軟件部分的高效率和高可靠性，本系統采用可移植性和表達運算能力強的C 語言作為程序語言，同時采用模塊化編程思想，將一個大的程序分成若干個小的功能模塊，各個功能模塊程序單獨設計，做好程序接口，最后在主函數中進行調用，最終形成一個整體［4］，系統主流程圖如圖7所示。

圖7 終端軟件流程圖

溫濕度采集終端的程序編制采用了前后臺系統，充分應用了中斷處理來響應外部命令，主要包含主函數、數據存儲函數、時間中斷處理函數、接收中斷處理函數、顯示函數等功能模塊。系統上電開始初始化，主程序完成初始化后等待中斷的發生，通過對中斷標志位的判斷進而調用相應的處理程序進行相關動作，系統上位機實驗監控界面圖8所示。

4 結論

圖8 車間溫濕度上位機監控界面

本文設計的基于zigbee的輪胎成型車間溫濕度監控系統，通過應用最新的物聯網技術和新型高精度溫濕度傳感器SHT21，解決了車間內部布線繁瑣、布置點數受限制、信息不聯網、溫濕度信息可視化弱等問題，實現了對企業級車間內部溫濕度信息的集中監控管理，為企業提升產品品質、降低能源消耗、深化工藝控制等創造了條件。實驗表明，該溫濕度監控系統運行穩定、布置組網方便，在實際系統中具有較高的應用價值。

［1］ 武鋒波， 強云霄. 基于zigbee技術的遠程無線溫濕度測控系統的設計［J］.西北大學學報（自然科學版）， 2008，38（5）:731～734.

［2］ Datasheet SHT21 Humidity and Temperature Sensor.2010.

［3］ ZICM2410模塊數據手冊V1.01. 2010.

［4］ 李玉峰. 基于MSP430的預付費智能熱量表研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業大學， 2010: 43～44.

ZIGBEE based temperature and humidity control system design for tire molding workshops

ZIGBEE based temperature and humidity control system design for tire molding workshops

Li Yufeng, Chen Haijun, Tong Qiang, Guo Lei

(Information Logistics System Division, Mesnac, Qingdao 266045, Shandong, China)

For temperature and humidity monitoring requirements in molding workshop of tire companies, this paper proposes an innovative system solution. By using the latest zigbee technology and high-precision temperature and humidity sensors SHT21, the system enables centralized monitoring and management of enterprise-level workshop internal temperature and humidity information. Validated, the system is reliable, easy to network, and it creates the conditions for improving product quality, reducing energy consumption, and deepening the process control.

temperature and humidity control; Zigbee; wireless communication; SHT21 （R-01）

TQ330.493

1009-797X（2015）23-0038-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.010

李玉峰（1984-），男，畢業于哈爾濱工業大學控制科學與工程專業，主要從事儀器、儀表的設計及嵌入式控制系統的設計研發工作，已發表論文6篇。

2014-03-14