基于STM32的智能化工廠監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

田 博

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

在數(shù)字化工廠中實時通信的實現(xiàn)、信息處理與采集是重要的組成部分。通過將遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到化工廠系統(tǒng)中，統(tǒng)一化和整體化化工廠設(shè)施對于生產(chǎn)成本的降低和化工廠作業(yè)效率的提升有非常重要的作用[1]。

作為化工生產(chǎn)效率提升與化工生產(chǎn)過程中的重要影響因素，化工廠信息實時采集對于化工生產(chǎn)非常重要。目前存在多樣化的方法進(jìn)行化工廠信息的傳輸和采集。在進(jìn)行現(xiàn)場采集和人工記錄的過程中需要耗費大量的人力和物力，同時無法保證數(shù)據(jù)的實時傳送。基于總線型的小范圍采集系統(tǒng)實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)采集，然而在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中如果采用了有線通信的方法，既會消耗大量的金錢，同時光照強(qiáng)、酸性大及濕度高等因素會使得線纜老化速度加快，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來消極的影響，同事分散和數(shù)量繁多的傳感器會導(dǎo)致線纜縱橫交錯的問題出現(xiàn)，不利于化工廠生產(chǎn)的順利進(jìn)行[2]。

本文設(shè)計了嵌入式化工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中采用無線傳感器能夠彌補(bǔ)采用有線通信方式帶來的問題。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了對某化工廠區(qū)進(jìn)行監(jiān)測而進(jìn)行了本課題的研究。將多個傳感器節(jié)點部署在化工廠的不同位置，這樣就可以對化工廠環(huán)境信息進(jìn)行采集。另外系統(tǒng)中有視頻采集節(jié)點。通過無線網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以將視頻和環(huán)境信息傳輸?shù)椒?wù)器中，然后服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)布這些化工廠信息。通過移動管理終端或者電腦用戶就可以獲取化工廠的環(huán)境信息，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程管理的目的[3]。嵌入式化工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 嵌入式化工廠智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用協(xié)議通信可以將數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。利用無線模塊和網(wǎng)線可以實現(xiàn)視頻終端設(shè)備的通信。通過數(shù)據(jù)傳輸模塊可以將所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)中心。數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制和發(fā)布可以利用服務(wù)中心所配置的服務(wù)器來實現(xiàn)。

2 嵌入式化工廠監(jiān)控系統(tǒng)硬件

數(shù)據(jù)接收監(jiān)測端以及數(shù)據(jù)采集發(fā)送端是整個系統(tǒng)的主要組成部分。化工廠現(xiàn)場的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)采集發(fā)送端采集，利用ZigBee節(jié)點設(shè)備將采集得到的數(shù)據(jù)向嵌入式服務(wù)器中的協(xié)調(diào)器發(fā)送[4]。上位機(jī)監(jiān)控軟件、STM32控制器以及ZigBee協(xié)調(diào)器是數(shù)據(jù)接收檢測端的重要組成部分，ZigBee節(jié)點發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收，然后向STM32控制器進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)通過Internet就可以像遠(yuǎn)程監(jiān)控PC進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程控制和查看的目的。

2.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端

傳感器節(jié)點硬件設(shè)計是數(shù)據(jù)采集發(fā)送端硬件設(shè)計的主要組成部分，本文將TI 公司生產(chǎn)的 CC2530 片上系統(tǒng)芯片作為Zig Bee 節(jié)點。通過I/O 口可以實現(xiàn)傳感器和CC2530之間的連接，在采集到數(shù)據(jù)以后，片內(nèi)8051 微處理器A/ 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，利用微處理器可以在對傳感器節(jié)點進(jìn)行控制的過程中實現(xiàn)通信[5]。數(shù)據(jù)采集發(fā)送端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集發(fā)送端硬件實物如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端硬件結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)據(jù)采集發(fā)送端硬件實物

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測接收端

STM32 嵌入式Internet控制服務(wù)器設(shè)計以及ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計是數(shù)據(jù)監(jiān)測接收端的重要組成部分。本文將CC2530 芯片作為ZigBee協(xié)調(diào)器，另外為了保證順利的連接主處理器，本文對協(xié)調(diào)器進(jìn)行了模塊化處理[6]。通過設(shè)定SFR 寄存器可以將CC2530 的 I/O 引腳作為 USART 的 RX 和 TX 引腳應(yīng)用。通過連接STM32的 USART 串口引腳就能夠達(dá)到通訊的目的。

在硬件設(shè)計部分本文將STM32F103CBT6作為服務(wù)器的主處理器，該種類型處理器的內(nèi)核為Cortex-M3。這種處理器具有較高的性能，能夠有效的滿足設(shè)計要求。采用了美國Microchip公司的獨立Internet控制器 ENC28J60作為Internet芯片[7]。數(shù)據(jù)采集接收端硬件實物如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集接收端硬件實物

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

3.1 節(jié)點信息獲取

目前利用遠(yuǎn)程命令的控制來對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和發(fā)送以及周期性的自主采集發(fā)送時傳感器信息獲取的兩種主要途徑[8]。在本文的研究過程中同一個路由節(jié)點上的傳感器信息主要采用循環(huán)掃描方法進(jìn)行讀取。圖5為節(jié)點信息獲取流程圖，其中重點表示出了節(jié)點運行狀態(tài)是否正常的判別流程。節(jié)點運行狀態(tài)是主要監(jiān)測內(nèi)容，節(jié)點運行狀態(tài)是否正常影響著整個化工廠監(jiān)控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖5 節(jié)點信息獲取流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

在完成傳感器節(jié)點信息的采集以后，信息的傳輸主要通過無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。信息的發(fā)送以及接受主要通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。Internet通信發(fā)送線程、Internet通信接收線程及無線網(wǎng)絡(luò)通信線程是網(wǎng)關(guān)所創(chuàng)建的三個線程。其中無線網(wǎng)絡(luò)的管理主要通過無線網(wǎng)絡(luò)通信線程來實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點加入請求以后就可以在網(wǎng)絡(luò)上登記這些節(jié)點。然后確定是否接收到節(jié)點數(shù)據(jù)，讓完成數(shù)據(jù)的傳輸以后就在緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，并將線程發(fā)送的命令通知給Internet。在完成線程的發(fā)送以后就可以對網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)順利連接時就將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)[9-10]。

3.3 基于.NET的化工廠監(jiān)控上位機(jī)軟件設(shè)計

本文以ASP.NET為平臺進(jìn)行WEB系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)了化工廠信息的順利發(fā)布。動態(tài)WEB網(wǎng)頁可以通過頁面顯示層來實現(xiàn)，在顯示化工廠信息的過程中，用戶在授權(quán)的基礎(chǔ)上只要連接到互聯(lián)網(wǎng)就可以對化工廠歷史信息和當(dāng)前信息進(jìn)行查看，同時還能夠隨時的下載數(shù)據(jù)。各個監(jiān)測點的運行狀況以及當(dāng)前化工廠的總體概況可以在監(jiān)控主界面上顯示出來。監(jiān)控主界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主界面

通過歷史曲線控件的調(diào)用可以得到化工廠環(huán)境歷史數(shù)據(jù)曲線，化工廠環(huán)境歷史數(shù)據(jù)可以利用歷史曲線控件記錄下來，同時利用數(shù)據(jù)曲線將這些數(shù)據(jù)只管的顯示出來。通過歷史報表控件的調(diào)用可以得到化工廠環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表界面，化工廠環(huán)境歷史數(shù)據(jù)可以利用歷史報表控件記錄下來，同時可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的打印和保存，可以按照時間進(jìn)行那個數(shù)據(jù)的查詢。化工廠環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表界面如圖7所示。

圖7 化工廠環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表

通過事件報警控件的調(diào)用可以得到場環(huán)境歷史報警數(shù)據(jù)報表界面，并采用報表的形式將這些數(shù)據(jù)顯示出來，其中傳感節(jié)點數(shù)據(jù)超過規(guī)定的極限值以及無線節(jié)點信號丟失是異常報警事件的兩種常見類型。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于STM32的智能化工廠監(jiān)控系統(tǒng)。將多個傳感器節(jié)點部署在化工廠的不同位置，對環(huán)境信息進(jìn)行采集。通過無線網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以將視頻和環(huán)境信息傳輸?shù)椒?wù)器中，然后服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)布這些化工廠信息。通過移動管理終端或者電腦用戶就可以獲取化工廠的環(huán)境信息，進(jìn)而達(dá)到遠(yuǎn)程管理的目的。