基于ZigBee的工业现场远程监测系统设计

　　摘  要： 现代工业现场领域的某些设备能否正常运转受温湿度的影响很大，为此提出了本设计方案。此套监测系统是基于ZigBee无线传感技术和无线WiFi设计的。系统的硬件结构包括ZigBee模块、WiFi模块和温湿度传感器模块。上位机软件程序是在vs2010平台下由C#语言编写，其中包括C/S模式的后台应用程序和B/S模式的前台应用程序，整套系统实现了对整个工业现场领域的实时温湿度监测，为设备的正常运转提供了强有力的保障。

　　关键词： ZigBee；WiFi；温湿度监测；C#

0 引言

　　现代工业现场的某些设备对温湿度很敏感，一旦防护不利会造成重大的经济损失。基于ZigBee的无线传感技术具有低成本、低功耗、高可靠性、高安全性、低数据率以及全数字化等优点，可以轻松地解决此方面的问题[1]。所以本设计采用固定ZigBee节点跟移动ZigBee节点相结合的方式来动静结合地监测整个工业现场领域，其中固定的节点就是在工业现场分布安装ZigBee节点作为ZigBee网络的路由器部分，移动节点就是依靠智能电瓶车携带ZigBee节点并配备温湿度传感器来移动监测现场的温湿度数据，并把监测到的数据发给固定的ZigBee节点，最后通过无线WiFi发给服务器，监控终端登录服务器实时监测现场各区域的温度、湿度等数据，从而确保设备正常运转。

1 系统总体框架

　　整套系统包括3大部分：现场ZigBee无线监测网络、WiFi/ZigBee网关和监控终端。总体结构如图1所示。

　　现场监测网络包括固定的ZigBee节点组成的静态网络和智能电瓶车（配备ZigBee移动节点及温湿度传感器）实现的移动网络。路由节点组成中间传输线路负责把这些数据传给协调器[2]。网关负责把ZigBee协调器接收到的数据传到确定地址的服务器上。服务器上的数据有很多种，除温湿度数据外，还有各个ZigBee节点的分布及工作情况等，所以监控终端需要分类，然后存储到数据库中，最终监控终端通过B/S模式的前台服务网站调取数据库中的数据，实时监控整个工业现场的温湿度情况。一旦出现不良情况可以及时采取相应补救措施。

2 ZigBee工业现场监测网络设计

　　2.1 ZigBee无线通信技术

　　ZigBee技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术。它具有成本低、功耗低、便于应用、速率低、时延短、免许可无线通信频段、多种组网方式、可靠数据传输性、网络容量大、自配置、三级安全模式等特性，以2.4 GHz为主要频段，适合小数据流的传输[2]。整个ZigBee无线网络包括应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准[3]。

　　2.2 ZigBee节点硬件设计

　　TI公司生产的CC2530F256芯片作为ZigBee网络的核心，网络中的协调器节点、路由节点以及终端采集节点全部采用此芯片。终端节点需要在CC2530的最小电路上接上各种传感器，用来采集现场的各种环境数据。结构如图2所示。

　　2.3 ZigBee静态网络设计

　　ZigBee网络覆盖整个工业现场领域，并且在ZigBee网络中只有一个网络协调器，但是有多个路由器，该协调器和路由器全部为全功能器件。网络中的终端采集节点使用的是简约功能器件。ZigBee无线网状网拥有多个高级冗余的通信路径，如果其中一条路径中断，网状网会自动选择其中最短的一条路径维持正常通信，这就在很大程度上提高了连接的质量[4]。为了确保系统数据传输的稳定性和可靠性，只需把ZigBee路由节点放置得更密集一些。为了预防各个终端节点出现异常情况而不被发现，所有终端节点每隔1 min向离其最近的路由节点发送一次信息，与此同时各个路由节点实时地监听其周围终端节点的信息，如果5次监听不到某个终端节点的信息，就默认此节点发生故障，即刻向上级协调器发送故障警报[2]。网络建立过程如图3所示。

　　2.4 ZigBee移动网络设计

　　现场移动网络依靠智能电瓶车配备ZigBee终端节点并携带温湿度传感器来实现对现场温湿度数据的移动监测。把采集到的数据发送到ZigBee路由节点，配合现场的ZigBee静态网络来全方位地监测工业现场。此处采用信号能量强度检测的方法来确保数据传输过程中的不失真和连续性。根据ZigBee协议栈定义，ZigBee网络中的芯片定位就是采用信号强弱测定的方法，在每次通信过程中接收方都能根据接收到的信号强度值RSSI和LQI来定位计算信号点与接收点之间的距离[5]。ZigBee网络中的路由节点实时监听移动节点，并根据移动节点广播的RSSI和LQI来进行定位计算，与预先设定好的路由节点的最大门限值ＲSSI（Max）和LQI（Max）进行比较。如果连续3次都比预先设定的门限值大，则该路由节点马上查找其相邻的路由表。如果在相邻的路由表中查不到该移动节点，则立即判断此节点为新进入网络的节点，并且马上把此节点注册为新的子节点并及时通知该移动子节点解除与原父节点的关联[5]。从而保证了网络在切换中的正常通信。移动节点切换接入流程如图4所示。

3 ZigBee/WiFi网关设计

　　ZigBee/WiFi网关的功能就是把监测到的温湿度数据传输到远端的服务器上，网关的硬件结构包括ZigBee模块、WiFi模块。ZigBee模块与WiFi模块之间通过RS232进行互联通信，其硬件结构如图5所示。

　　TI公司生产的CC2530F256芯片作为ZigBee模块的核心器件，它的外围设备具有一个RS232接口和4个按键。在WiFi模块内部嵌有TCP/IP协议栈并且符合无线网络协议IEEE802.11b/g标准，它通过ＲS232接口与ZigBee模块进行互联通信。利用DC-DC转换器把电源模块的5 V输出电压转换为3.3 V，使WiFi模块和ZigBee模块正常工作。ZigBee节点把接收到的现场温湿度数据先转换成UART数据，再通过ＲS232接口与WiFi连接，由WiFi模块把接收到的数据进行解析处理，然后把处理完的数据转换成WiFi信号传送出去。ZigBee无线传感网络中的数据传输作为下行数据，WiFi网络中的数据作为上行数据，下行数据传输到网关ZigBee协调器模块，经处理后通过串口将数据传输给WiFi模块以无线的形式传送至远端的网络服务器中[6]。其中工作流程图如图6所示。

4 系统上位机软件设计

　　在vs2010平台下用C#语言编写系统上位机的软件程序，其结构组成如图7所示[7]。B/S模式的前台网页服务程序由3部分组成，即：系统登录界面程序、系统监测界面程序和系统用户操作界面程序。对登录的用户采取权限处理，权限不同登录的界面不同，进而操作也不同。C/S模式下的Windows后台服务程序，通过Socket通信与WiFi进行数据传输，并且通过SQL语句把从服务器上得到的数据存入数据库，对数据进行进一步加工，生成可视化内容供用户参考，进而做出相应的决策。

5 实验结果

　　实验中分布安装了10个固定的ZigBee节点来构建静态网络以传输数据，智能电瓶车配备温湿度传感器采集现场温湿度数据。智能电瓶车上的ZigBee节点把采集到的数据结果传给ZigBee网络中的路由节点进而上传到ZigBee协调器，然后把接收到数据传给WiFi/ZigBee网关，最终WiFi网关把数据进行格式转换后上传到监控室的网络服务器上，从而实现对工业现场的实时监测。监控终端的监测结果如图8所示。

6 结论

　　本设计实现了现场温湿度的监测，并且通过ZigBee网络及WiFi/ZigBee网关把监测结果发给服务器，实现网网联合，最终把结果显示在前台界面上，实现了对工业现场温湿度的实时监测，为设备的正常运行提供了有力的保障。

参考文献

　　[1] 祝晓东，肖四友．ZigBee技术在无线温室数据采集系统中的应用研究[J]．计算机应用系统，2007（12）：82－85．

　　[2] 赵晓军，温丁一，申军涛，等.基于ZigBee的远程湿地监控系统设计[J]．电视技术，2014，38（5）：124-127.

　　[3] 胡占报.ZigBee技术及在无线抄表中的应用[D].天津：河北工业大学，2007.

　　[4] 陶晓玲，黄廷磊，王勇．ZigBee网状网技术探讨[J]．广西师范学院学报：自然科学版，2006，23（3）：67-71．

　　[5] 刘骞，孙懋珩．ZigBee网络移动节点接入与切换机制仿真分析[J]．计算机与现代化，2008（1）：60－62．

　　[6] 杜永慧，李允俊.ZigBee和WiFi的双模无线网关设计[J].单片机与嵌入式技术应用，2013（9）：39-45.

　　[7] 明日科技．C#程序开发范例宝典[M]．北京：人民邮电出版社，2007.