基于ZigBee和WLAN技術(shù)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)

秦國(guó)輝，王鋼，王玉鵬，周闖，羅向東

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

基于ZigBee和WLAN技術(shù)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)

秦國(guó)輝1，王鋼2，王玉鵬1，周闖1，羅向東1

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

針對(duì)厭氧發(fā)酵中試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控需要，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和WLAN技術(shù)的中試厭氧發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)。其中，以ZigBee技術(shù)為核心的底層無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)與命令的傳輸；以WLAN技術(shù)為核心的局域網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)視頻傳輸與互聯(lián)網(wǎng)接入功能，將發(fā)酵數(shù)據(jù)及視頻傳輸至指定計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控管理，形成實(shí)時(shí)集中管理的信息化應(yīng)用系統(tǒng)。

ZigBee；WLAN；厭氧發(fā)酵；監(jiān)控系統(tǒng)

厭氧發(fā)酵技術(shù)不但能夠有效消除農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物、工業(yè)有機(jī)廢物以及城市生活垃圾等污染，而且能夠發(fā)掘有機(jī)廢物中含有的大量可利用生物能源。由于應(yīng)用于厭氧發(fā)酵探索的中試系統(tǒng)普遍存在可擴(kuò)展性差、缺少統(tǒng)一管理平臺(tái)和視頻監(jiān)測(cè)、信息無(wú)法共享等缺點(diǎn)［1］。因此，需要發(fā)展一種自動(dòng)化程度高、安全可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。

隨著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量新技術(shù)。其中，基于Wi-Fi（IEEE 802.11）標(biāo)準(zhǔn)的WLAN具有價(jià)格低廉、占有率高等優(yōu)勢(shì)，主要服務(wù)于計(jì)算機(jī)上網(wǎng)應(yīng)用模式的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［2］；短程、低速率無(wú)線(xiàn)傳感和控制應(yīng)用的ZigBee協(xié)議具有復(fù)雜度低、成本低、功耗低、延遲短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于儀器設(shè)備互聯(lián)與控制服務(wù)［3］。ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的日趨成熟為構(gòu)建互聯(lián)互通、可擴(kuò)展性好的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)提供了技術(shù)支撐。

為了更詳細(xì)與深入的研究、分析和驗(yàn)證厭氧發(fā)酵技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee與WLAN技術(shù)構(gòu)成的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)。它充分利用了大數(shù)據(jù)量、高速率的多媒體壓縮碼流與小數(shù)據(jù)量、低速率的監(jiān)控信號(hào)，結(jié)合了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Monitor system structure

該系統(tǒng)主要由ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控單元三部分組成。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)由低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)與中繼單元組成，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)由ZigBee收發(fā)單元與中繼單元通信，返回采集數(shù)據(jù)或響應(yīng)控制指令。基于WLAN構(gòu)建的視頻網(wǎng)絡(luò)由視頻傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行視頻碼流的采集、壓縮處理和傳輸視頻。監(jiān)控單元負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警信息發(fā)布、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。科研人員既可以采用計(jì)算機(jī)作為客戶(hù)端接，也可以隨時(shí)隨地通過(guò)移動(dòng)通信設(shè)備訪問(wèn)監(jiān)控單元獲取發(fā)酵數(shù)據(jù)與圖像。

2　ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)是一種低功耗和成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議[4]。它是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)最具有應(yīng)用前景，擁有眾多其他技術(shù)不具備的特點(diǎn)，在本文設(shè)計(jì)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)中，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，成本低：ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)單，大大降低了系統(tǒng)組網(wǎng)與維護(hù)成本。

第二，安全性高：ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查，確保數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確。

第三，頻率靈活：依據(jù)環(huán)境選用2.4GHz、868MHz或915MHz等免執(zhí)照頻率段。

第四，網(wǎng)絡(luò)容量大：?jiǎn)蝹€(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多支持255個(gè)接入設(shè)備［5］。

ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用簡(jiǎn)單、穩(wěn)定星型拓?fù)浣ⅰＶ欣^單元實(shí)現(xiàn)底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的信息交流、維護(hù)和協(xié)商功能。ZigBee收發(fā)單元具有安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單和運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)并與中繼單元進(jìn)行交流。當(dāng)定時(shí)測(cè)量或事件觸發(fā)時(shí)，喚醒ZigBee收發(fā)單元的休眠模式發(fā)送數(shù)據(jù)，將功耗降至最低。在通信過(guò)程中，發(fā)送數(shù)據(jù)前必須偵聽(tīng)信道，若信道處于繁忙狀態(tài)時(shí)，則等待下一個(gè)時(shí)間再一次偵聽(tīng)，若信道處于空閑時(shí)，則發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2ZigBee收發(fā)單元

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure

ZigBee收發(fā)單元采用模塊化方法設(shè)計(jì)，分為傳感器輸入單元、控制輸出單元、微處理器單元、無(wú)線(xiàn)通信單元與電源供給單元，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，處理器單元采用Silicon Laboratories公司設(shè)計(jì)的C8051F340單片機(jī)，內(nèi)置4個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、2個(gè)可擴(kuò)展配置的全雙工UART、4K字節(jié)內(nèi)部RAM與40個(gè)I/O接口，相比通用的8051結(jié)構(gòu)具有更快的指令執(zhí)行速度。無(wú)線(xiàn)通信單元采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2420芯片，與單片機(jī)通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置和數(shù)據(jù)收發(fā)，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(jù)系統(tǒng)接入類(lèi)型進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。控制輸出單元依據(jù)接入設(shè)備的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)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(shè)有電池供電電路。

2.3中繼單元

本文設(shè)計(jì)的厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)僅有一個(gè)中繼單元，作為接收各從站節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳輸給WLAN網(wǎng)絡(luò)的工具，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　中繼單元結(jié)構(gòu)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(fā)模塊、存儲(chǔ)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(wú)線(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊接收各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)。

第二，建立局域網(wǎng)，連接互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

第三，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元實(shí)時(shí)修改各節(jié)點(diǎn)的設(shè)置參數(shù)及輸出狀態(tài)。

其中，微處理器采用C8051F340器件作為主運(yùn)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(nèi)置有256M資源存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)模塊采用存儲(chǔ)芯片24c512，它是電擦除可編程串行存儲(chǔ)器，具有體積小、專(zhuān)用I/O口少、價(jià)格低廉、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；LAN接口模塊搭載ARM處理器，集成了TCP/IP協(xié)議和10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，將TCP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP數(shù)據(jù)包與RS232接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)透明傳輸?shù)脑O(shè)備，模塊體積小巧，功耗低。

2.4軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序以C語(yǔ)言設(shè)計(jì)為主，它結(jié)合了高級(jí)編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)與匯編語(yǔ)言空間小、運(yùn)行速度快等的特點(diǎn)，擁有突出的表達(dá)運(yùn)算能力、可讀性和可移植性，具有高效的指令執(zhí)行效率，其開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Silicon Laboratories IDE。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)與流程通過(guò)主程序、子程序和子過(guò)程等框架描述，并且定義了各個(gè)框架間的聯(lián)系，簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和維護(hù)。首先定義RAM區(qū)的變量數(shù)據(jù)，之后完成C8051F340單片機(jī)、串口智能顯示模塊與ZigBee收發(fā)模塊等器件的初始化，然后依據(jù)系統(tǒng)規(guī)定的工作順序與狀態(tài)依次執(zhí)行相關(guān)子程序，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、顯示與輸入、傳感器數(shù)據(jù)的采集、分析與判斷等功能。

3　WLAN網(wǎng)絡(luò)

擁有無(wú)線(xiàn)路由網(wǎng)橋的視頻傳感器與中繼單元構(gòu)成了WLAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了厭氧發(fā)酵的過(guò)程變量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行視頻的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中，厭氧發(fā)酵中試現(xiàn)場(chǎng)的視頻與音頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻、音頻信號(hào)，送至視頻與音頻處理器產(chǎn)生符合MPEG_4H．264標(biāo)準(zhǔn)的壓縮音視頻碼流，然后存儲(chǔ)于擁有專(zhuān)用的FLASH、以太網(wǎng)接口的SDRAM中。此外，通過(guò)USB接口連接的移動(dòng)硬盤(pán)、U盤(pán)可以作為音視頻流、傳感數(shù)據(jù)及報(bào)警信息的存儲(chǔ)設(shè)備。基于UART接口擴(kuò)展的RS-485和RS-232接口簡(jiǎn)化系統(tǒng)的云臺(tái)調(diào)試和控制。

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee和WLAN技術(shù)的中試沼氣發(fā)酵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分利用了ZigBee和WLAN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了集合音視頻監(jiān)測(cè)、傳感器參數(shù)讀取與設(shè)備狀態(tài)控制等功能的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)或移動(dòng)通信設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)、查看歷史記錄與接收?qǐng)?bào)警信息等，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，提高了厭氧發(fā)酵中試監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度、可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性，確保了沼氣發(fā)酵科研實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2007：128-157．

［2］段水福，歷曉華.無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，2007：3-15．

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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(guó)輝（1982-），男，遼寧丹東人，碩士，助理研究員，從事智能控制研究。