基于STM32的智能化工廠監控系統開發

田 博

(遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

在數字化工廠中實時通信的實現、信息處理與采集是重要的組成部分。通過將遠程監測技術應用到化工廠系統中，統一化和整體化化工廠設施對于生產成本的降低和化工廠作業效率的提升有非常重要的作用[1]。

作為化工生產效率提升與化工生產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非常重要。目前存在多樣化的方法進行化工廠信息的傳輸和采集。在進行現場采集和人工記錄的過程中需要耗費大量的人力和物力，同時無法保證數據的實時傳送。基于總線型的小范圍采集系統實現了自動數據采集，然而在數據傳輸的過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、酸性大及濕度高等因素會使得線纜老化速度加快，對于系統的穩定性帶來消極的影響，同事分散和數量繁多的傳感器會導致線纜縱橫交錯的問題出現，不利于化工廠生產的順利進行[2]。

本文設計了嵌入式化工廠智能監控系統，在網絡數據傳輸的過程中采用無線傳感器能夠彌補采用有線通信方式帶來的問題。

1 系統總體結構

為了對某化工廠區進行監測而進行了本課題的研究。將多個傳感器節點部署在化工廠的不同位置，這樣就可以對化工廠環境信息進行采集。另外系統中有視頻采集節點。通過無線網橋等網絡設備可以將視頻和環境信息傳輸到服務器中，然后服務器遠程發布這些化工廠信息。通過移動管理終端或者電腦用戶就可以獲取化工廠的環境信息，進而達到遠程管理的目的[3]。嵌入式化工廠智能監控系統總體結構如圖1所示。

圖1 嵌入式化工廠智能監控系統總體結構

無線傳感器網絡利用協議通信可以將數據匯聚到網關節點。利用無線模塊和網線可以實現視頻終端設備的通信。通過數據傳輸模塊可以將所有現場數據傳輸到服務中心。數據的遠程控制和發布可以利用服務中心所配置的服務器來實現。

2 嵌入式化工廠監控系統硬件

數據接收監測端以及數據采集發送端是整個系統的主要組成部分。化工廠現場的數據可以通過數據采集發送端采集，利用ZigBee節點設備將采集得到的數據向嵌入式服務器中的協調器發送[4]。上位機監控軟件、STM32控制器以及ZigBee協調器是數據接收檢測端的重要組成部分，ZigBee節點發送過來的無線數據由協調器負責接收，然后向STM32控制器進行傳輸，數據通過Internet就可以像遠程監控PC進行發送，進而達到遠程控制和查看的目的。

2.1 數據采集發送端

傳感器節點硬件設計是數據采集發送端硬件設計的主要組成部分，本文將TI 公司生產的 CC2530 片上系統芯片作為Zig Bee 節點。通過I/O 口可以實現傳感器和CC2530之間的連接，在采集到數據以后，片內8051 微處理器A/ 轉換得到的數據，利用微處理器可以在對傳感器節點進行控制的過程中實現通信[5]。數據采集發送端硬件結構如圖2所示。數據采集發送端硬件實物如圖3所示。

圖2 數據采集發送端硬件結構

圖3 數據采集發送端硬件實物

2.2 數據監測接收端

STM32 嵌入式Internet控制服務器設計以及ZigBee協調器設計是數據監測接收端的重要組成部分。本文將CC2530 芯片作為ZigBee協調器，另外為了保證順利的連接主處理器，本文對協調器進行了模塊化處理[6]。通過設定SFR 寄存器可以將CC2530 的 I/O 引腳作為 USART 的 RX 和 TX 引腳應用。通過連接STM32的 USART 串口引腳就能夠達到通訊的目的。

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

圖4 數據采集接收端硬件實物

3 無線傳感器網絡軟件設計

3.1 節點信息獲取

目前利用遠程命令的控制來對數據進行采集和發送以及周期性的自主采集發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點上的傳感器信息主要采用循環掃描方法進行讀取。圖5為節點信息獲取流程圖，其中重點表示出了節點運行狀態是否正常的判別流程。節點運行狀態是主要監測內容，節點運行狀態是否正常影響著整個化工廠監控系統運行的穩定性。

圖5 節點信息獲取流程圖

3.2 網關軟件設計

在完成傳感器節點信息的采集以后，信息的傳輸主要通過無線網絡來實現。信息的發送以及接受主要通過網絡來實現。Internet通信發送線程、Internet通信接收線程及無線網絡通信線程是網關所創建的三個線程。其中無線網絡的管理主要通過無線網絡通信線程來實現。網關收到節點加入請求以后就可以在網絡上登記這些節點。然后確定是否接收到節點數據，讓完成數據的傳輸以后就在緩沖區進行數據的存儲，并將線程發送的命令通知給Internet。在完成線程的發送以后就可以對網絡連接狀態進行判斷，當網絡順利連接時就將數據發送給上位機[9-10]。

3.3 基于.NET的化工廠監控上位機軟件設計

本文以ASP.NET為平臺進行WEB系統的設計，進而實現了化工廠信息的順利發布。動態WEB網頁可以通過頁面顯示層來實現，在顯示化工廠信息的過程中，用戶在授權的基礎上只要連接到互聯網就可以對化工廠歷史信息和當前信息進行查看，同時還能夠隨時的下載數據。各個監測點的運行狀況以及當前化工廠的總體概況可以在監控主界面上顯示出來。監控主界面如圖6所示。

圖6 監控主界面

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

圖7 化工廠環境歷史數據報表

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

4 結論

本文設計了基于STM32的智能化工廠監控系統。將多個傳感器節點部署在化工廠的不同位置，對環境信息進行采集。通過無線網橋等網絡設備可以將視頻和環境信息傳輸到服務器中，然后服務器遠程發布這些化工廠信息。通過移動管理終端或者電腦用戶就可以獲取化工廠的環境信息，進而達到遠程管理的目的。