摘 要： 現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場領域的某些設備能否正常運轉受溫濕度的影響很大，為此提出了本設計方案。此套監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee無線傳感技術和無線WiFi設計的。系統(tǒng)的硬件結構包括ZigBee模塊、WiFi模塊和溫濕度傳感器模塊。上位機軟件程序是在vs2010平臺下由C#語言編寫，其中包括C/S模式的后臺應用程序和B/S模式的前臺應用程序，整套系統(tǒng)實現(xiàn)了對整個工業(yè)現(xiàn)場領域的實時溫濕度監(jiān)測，為設備的正常運轉提供了強有力的保障。
關鍵詞： ZigBee；WiFi；溫濕度監(jiān)測；C#
0 引言
現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場的某些設備對溫濕度很敏感，一旦防護不利會造成重大的經(jīng)濟損失。基于ZigBee的無線傳感技術具有低成本、低功耗、高可靠性、高安全性、低數(shù)據(jù)率以及全數(shù)字化等優(yōu)點，可以輕松地解決此方面的問題[1]。所以本設計采用固定ZigBee節(jié)點跟移動ZigBee節(jié)點相結合的方式來動靜結合地監(jiān)測整個工業(yè)現(xiàn)場領域，其中固定的節(jié)點就是在工業(yè)現(xiàn)場分布安裝ZigBee節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡的路由器部分，移動節(jié)點就是依靠智能電瓶車攜帶ZigBee節(jié)點并配備溫濕度傳感器來移動監(jiān)測現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)給固定的ZigBee節(jié)點，最后通過無線WiFi發(fā)給服務器，監(jiān)控終端登錄服務器實時監(jiān)測現(xiàn)場各區(qū)域的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，從而確保設備正常運轉。
1 系統(tǒng)總體框架
整套系統(tǒng)包括3大部分：現(xiàn)場ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡、WiFi/ZigBee網(wǎng)關和監(jiān)控終端。總體結構如圖1所示。
現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡包括固定的ZigBee節(jié)點組成的靜態(tài)網(wǎng)絡和智能電瓶車（配備ZigBee移動節(jié)點及溫濕度傳感器）實現(xiàn)的移動網(wǎng)絡。路由節(jié)點組成中間傳輸線路負責把這些數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器[2]。網(wǎng)關負責把ZigBee協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)傳到確定地址的服務器上。服務器上的數(shù)據(jù)有很多種，除溫濕度數(shù)據(jù)外，還有各個ZigBee節(jié)點的分布及工作情況等，所以監(jiān)控終端需要分類，然后存儲到數(shù)據(jù)庫中，最終監(jiān)控終端通過B/S模式的前臺服務網(wǎng)站調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控整個工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度情況。一旦出現(xiàn)不良情況可以及時采取相應補救措施。
2 ZigBee工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡設計
2.1 ZigBee無線通信技術
ZigBee技術是近幾年發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術。它具有成本低、功耗低、便于應用、速率低、時延短、免許可無線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、可靠數(shù)據(jù)傳輸性、網(wǎng)絡容量大、自配置、三級安全模式等特性，以2.4 GHz為主要頻段，適合小數(shù)據(jù)流的傳輸[2]。整個ZigBee無線網(wǎng)絡包括應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準[3]。
2.2 ZigBee節(jié)點硬件設計
TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee網(wǎng)絡的核心，網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點以及終端采集節(jié)點全部采用此芯片。終端節(jié)點需要在CC2530的最小電路上接上各種傳感器，用來采集現(xiàn)場的各種環(huán)境數(shù)據(jù)。結構如圖2所示。
2.3 ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡設計
ZigBee網(wǎng)絡覆蓋整個工業(yè)現(xiàn)場領域，并且在ZigBee網(wǎng)絡中只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，但是有多個路由器，該協(xié)調(diào)器和路由器全部為全功能器件。網(wǎng)絡中的終端采集節(jié)點使用的是簡約功能器件。ZigBee無線網(wǎng)狀網(wǎng)擁有多個高級冗余的通信路徑，如果其中一條路徑中斷，網(wǎng)狀網(wǎng)會自動選擇其中最短的一條路徑維持正常通信，這就在很大程度上提高了連接的質(zhì)量[4]。為了確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，只需把ZigBee路由節(jié)點放置得更密集一些。為了預防各個終端節(jié)點出現(xiàn)異常情況而不被發(fā)現(xiàn)，所有終端節(jié)點每隔1 min向離其最近的路由節(jié)點發(fā)送一次信息，與此同時各個路由節(jié)點實時地監(jiān)聽其周圍終端節(jié)點的信息，如果5次監(jiān)聽不到某個終端節(jié)點的信息，就默認此節(jié)點發(fā)生故障，即刻向上級協(xié)調(diào)器發(fā)送故障警報[2]。網(wǎng)絡建立過程如圖3所示。
2.4 ZigBee移動網(wǎng)絡設計
現(xiàn)場移動網(wǎng)絡依靠智能電瓶車配備ZigBee終端節(jié)點并攜帶溫濕度傳感器來實現(xiàn)對現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)的移動監(jiān)測。把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee路由節(jié)點，配合現(xiàn)場的ZigBee靜態(tài)網(wǎng)絡來全方位地監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場。此處采用信號能量強度檢測的方法來確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的不失真和連續(xù)性。根據(jù)ZigBee協(xié)議棧定義，ZigBee網(wǎng)絡中的芯片定位就是采用信號強弱測定的方法，在每次通信過程中接收方都能根據(jù)接收到的信號強度值RSSI和LQI來定位計算信號點與接收點之間的距離[5]。ZigBee網(wǎng)絡中的路由節(jié)點實時監(jiān)聽移動節(jié)點，并根據(jù)移動節(jié)點廣播的RSSI和LQI來進行定位計算，與預先設定好的路由節(jié)點的最大門限值ＲSSI（Max）和LQI（Max）進行比較。如果連續(xù)3次都比預先設定的門限值大，則該路由節(jié)點馬上查找其相鄰的路由表。如果在相鄰的路由表中查不到該移動節(jié)點，則立即判斷此節(jié)點為新進入網(wǎng)絡的節(jié)點，并且馬上把此節(jié)點注冊為新的子節(jié)點并及時通知該移動子節(jié)點解除與原父節(jié)點的關聯(lián)[5]。從而保證了網(wǎng)絡在切換中的正常通信。移動節(jié)點切換接入流程如圖4所示。
3 ZigBee/WiFi網(wǎng)關設計
ZigBee/WiFi網(wǎng)關的功能就是把監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端的服務器上，網(wǎng)關的硬件結構包括ZigBee模塊、WiFi模塊。ZigBee模塊與WiFi模塊之間通過RS232進行互聯(lián)通信，其硬件結構如圖5所示。
TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為ZigBee模塊的核心器件，它的外圍設備具有一個RS232接口和4個按鍵。在WiFi模塊內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議棧并且符合無線網(wǎng)絡協(xié)議IEEE802.11b/g標準，它通過ＲS232接口與ZigBee模塊進行互聯(lián)通信。利用DC-DC轉換器把電源模塊的5 V輸出電壓轉換為3.3 V，使WiFi模塊和ZigBee模塊正常工作。ZigBee節(jié)點把接收到的現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)先轉換成UART數(shù)據(jù)，再通過ＲS232接口與WiFi連接，由WiFi模塊把接收到的數(shù)據(jù)進行解析處理，然后把處理完的數(shù)據(jù)轉換成WiFi信號傳送出去。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸作為下行數(shù)據(jù)，WiFi網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)作為上行數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，經(jīng)處理后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給WiFi模塊以無線的形式傳送至遠端的網(wǎng)絡服務器中[6]。其中工作流程圖如圖6所示。
4 系統(tǒng)上位機軟件設計
在vs2010平臺下用C#語言編寫系統(tǒng)上位機的軟件程序，其結構組成如圖7所示[7]。B/S模式的前臺網(wǎng)頁服務程序由3部分組成，即：系統(tǒng)登錄界面程序、系統(tǒng)監(jiān)測界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序。對登錄的用戶采取權限處理，權限不同登錄的界面不同，進而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺服務程序，通過Socket通信與WiFi進行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過SQL語句把從服務器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行進一步加工，生成可視化內(nèi)容供用戶參考，進而做出相應的決策。
5 實驗結果
實驗中分布安裝了10個固定的ZigBee節(jié)點來構建靜態(tài)網(wǎng)絡以傳輸數(shù)據(jù)，智能電瓶車配備溫濕度傳感器采集現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)。智能電瓶車上的ZigBee節(jié)點把采集到的數(shù)據(jù)結果傳給ZigBee網(wǎng)絡中的路由節(jié)點進而上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器，然后把接收到數(shù)據(jù)傳給WiFi/ZigBee網(wǎng)關，最終WiFi網(wǎng)關把數(shù)據(jù)進行格式轉換后上傳到監(jiān)控室的網(wǎng)絡服務器上，從而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)測。監(jiān)控終端的監(jiān)測結果如圖8所示。
6 結論
本設計實現(xiàn)了現(xiàn)場溫濕度的監(jiān)測，并且通過ZigBee網(wǎng)絡及WiFi/ZigBee網(wǎng)關把監(jiān)測結果發(fā)給服務器，實現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)聯(lián)合，最終把結果顯示在前臺界面上，實現(xiàn)了對工業(yè)現(xiàn)場溫濕度的實時監(jiān)測，為設備的正常運行提供了有力的保障。
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