基于ZigBee通信的車間環境監測系統

奚志豪++許鵬

摘 要：本項目設計了一種以STM32F407處理器為核心的車間環境監測系統，由多個終端模塊和一個匯總模塊組成。多個終端模塊安裝于車間各個位置，主要采集車間溫濕度、粉塵濃度、可燃氣體濃度及噪音等信息；匯總模塊安裝于車間辦公室中，綜合獲取存儲各個終端模塊采集的數據，并實時顯示在7寸工業屏上，同時對異常環境數據告警。終端模塊和匯總模塊采取ZigBee無線通信[1]形式傳輸數據，具有布局靈活、節省成本、穩定性高的特點。這套系統能夠實時監測車間多點環境情況，并對異常狀況告警，因此一方面可以減少車間環境對工作生產或設備運行的影響，另一方面也可以幫助管理者真正地了解生產一線工作環境。

關鍵詞：ZigBee無線通信；STM32F407；環境監測

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0093-02

1 概述

當今社會，隨著工業制造精度的提高及工業現代化的發展，工業生產流程以及工業生產設備對車間環境的要求越來越高。本項目的研究為工業生產現代化提供有力的支撐，具有深刻的現實意義。首先，該設備可以同時測量大量的環境參數數據，給設備調試研發人員提供了大量的數據參考。其次，該設備大大降低了設備維護的難度縮減了發現問題的時間，保證了設備工作在高效穩定的一個狀態。這對于提高產品的質量是有很大幫助。

該項目的終端模塊能實時監測環境參數（包括溫度，濕度，噪音，粉塵濃度，可燃氣體濃度）[2]，對溫濕度度過高或粉塵濃度過高的環境異常實時告警，可以避免設備的損壞和產品的質量下降；噪聲的監測主要是處于對操作員工身體健康的考慮，若噪聲過高，應當及時做好防護措施；可燃氣體濃度的監測主要應用于特殊場合，如煉鐵高爐等，若過高極易發生火災，需及時開啟通風設備。通過環境參數可以排除一些安全隱患，為員工的人身安全增添了一份保障。

系統架構靈活、技術新穎，模塊操作簡單，環境參數值范圍設定都可以在觸摸屏上完成，迎合了當今對產品高要求的趨勢，對未來工業方面的發展具有深遠的意義。

2 系統架構設計

本項目設計了一種以STM32F407處理器為核心的車間環境監測系統[3]，由多個終端模塊和一個匯總模塊組成。多個終端模塊安裝于車間各個位置，主要采集車間溫濕度、粉塵濃度、可燃氣體濃度及噪音等信息；匯總模塊安裝于車間辦公室中，綜合獲取存儲各個終端模塊采集的數據，并實時顯示在7寸工業屏上，同時對異常環境數據告警。終端模塊和匯總模塊采取ZigBee無線通信形式傳輸數據，具有布局靈活、節省成本、穩定性高的特點。系統架構如圖1所示。

3 系統的硬件設計

3.1 ZigBee模塊選型

Zigbee是IEEE 802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其優勢包括：自動組網，網絡容量大。在有模塊加入和撤出時，網絡具有自動修復功能；網絡時延短；模塊功耗低，通訊速率低；傳輸距離可擴展；可靠性好，安全性高等。

3.2 終端模塊硬件設計

終端模塊采用Cortex-M4系列的微處理器芯片STM32F407，接口功能豐富。終端模塊上使用SDS011型PM2.5傳感器監測粉塵濃度，使用MQ7模塊監測可燃氣體濃度，使用DHT11傳感器采集溫濕度，使用音頻模塊采集環境噪聲。

終端模塊的I/O接口設計如下：DHT11數據口接STM32的PB11；噪音傳感器數據口接STM32的PA6；MQ7數據口接STM32的PA5；SDS011型PM2.5傳感器接STM32的PA10（USART1）；ZigBee的P0_2（USART_RX）接STM32的PA2（USART2）。

3.3 匯總模塊硬件設計

匯總模塊采用Cortex-M4系列的微處理器芯片STM32F407，為了能夠直觀顯示采集數據，使用了工業級7寸觸摸顯示屏，并保證了系統長期工作的可靠性，此外還使用了工業級標準雙色告警燈，用于異常告警。

匯總模塊的I/O接口設計如下：ZigBee的P0_3（USART_TX）接STM32的PA10（USART1）；RS485_TX接STM32的PA3（USART2）；RS485_RX接STM32的PA2（USART2）。

4 系統軟件設計

系統程序是在STM32開發板上運行，使用C程序設計的編程思想。本系統集合了多種功能，可以將各種功能用子程序來實現，然后通過主程序調用，這樣使得系統整體結構清晰，內容明了增強程序的可讀性，整個系統框圖如圖2所示。

4.1 串口屏的軟件設計

串口屏有產品自帶的開發工具DWIN DGUS軟件，為用戶提供了一個足夠強大的集成開發環境，用DGUS來開發人機界面，主要借助PC軟件來進行組態設計，把人機交互和控制過程完全分開，只需要寫點通過串口讀寫變量存儲器的代碼。

4.2 終端模塊的軟件設計

終端模塊在CC2530芯片中編程以協議棧為基礎，其通信節點形式為ZigBee網絡中的終端節點，ZigBee無線通信設置為組播模式。當模塊連入ZigBee網絡后，以1Hz的頻率向匯總模塊（ZigBee協調器端）發送數據幀字符串。

終端模塊在STM32F4中編程以初始化各個傳感器，以1Hz的頻率讀取各傳感器數據并對數據進行校準。整合成自定義的數據幀字符串以串口通信發送給CC2530芯片。

4.3 匯總模塊的軟件設計

匯總模塊在CC2530芯片中編程以協議棧為基礎，其通信節點形式為ZigBee網絡中的路由器節點，ZigBee無線通信設置為組播模式。當模塊創建ZigBee網絡后，以1Hz的頻率從終端模塊接收數據幀字符串。

匯總模塊在STM32F4中編程把數據幀字符串轉化成串口屏數據幀，并以485通信協議與串口屏進行交互通信。

5 系統功能測試

將系統組裝完成后，先給終端模塊上電，此時已經可以觀察到終端模塊TFT顯示屏上顯示的環境數據了。傳感器預熱5分鐘后，再打開匯總模塊。約6s后，可以在匯總模塊串口屏上觀察到環境數據且曲線以1Hz的頻率刷新。說明系統無線數據的傳輸已經正常工作了。系統實物如圖3所示。

最后我們可以通過點燃打火機（測試可燃氣體傳感器，溫濕度傳感器），播放的聲音（測試噪音傳感器）等手段來檢驗傳感器的靈敏度。經檢驗，匯總模塊的報警反應時間在1.5秒左右，符合了設計要求。

6 結束語

智能工業的實現是基于物聯網技術的滲透和應用，并與未來先進制造技術相結合，形成新的智能化的制造體系。因此，智能工業就是把現代通信技術應用到工業制造中去，使其更便捷、高效、穩定、人性化。

這套系統能夠實時監測車間多點環境情況，并對異常狀況告警，因此一方面可以減少車間環境對工作生產或設備運行的影響，另一方面也可以幫助管理者真正地了解生產一線工作環境。此外，本系統不僅可以應用于車間環境監測，也可直接應用于智能家居的環境監測。

參考文獻：

[1]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011，8.

[2]王蘊 .基于CC2530的辦公環境監測系統[D].長春：吉林大學，2012，5.

[3]陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2012，9.

[4]楊普松.基于ZigBee協議棧的無線環境監測系統設計[J].科技創新與應用，2015（20）：105.endprint