基于ZigBee和GPRS無(wú)線傳輸?shù)碾姍C(jī)網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

很多工礦企業(yè)用到多種大功率電機(jī)，如抽風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、傳輸機(jī)等。這些電機(jī)大多是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的，而且現(xiàn)場(chǎng)壞境復(fù)雜，電機(jī)很有可能會(huì)遇到過(guò)載、絕緣局部損壞等情況，如果電機(jī)出現(xiàn)異常情況沒(méi)有時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)運(yùn)行，會(huì)直接引起電機(jī)溫度變化，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就可能會(huì)造成電機(jī)及相關(guān)設(shè)備損壞，產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些電機(jī)的溫度可以間接的監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本文提出了一種采用數(shù)字傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控電機(jī)各點(diǎn)溫度，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)接將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)避免了有線傳輸系統(tǒng)的線路鋪設(shè)，而且解決了ZigBee技術(shù)智能進(jìn)行短距離傳輸?shù)膯?wèn)題，使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)

ZigBee技術(shù)具有低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。一臺(tái)ZigBee設(shè)備可連接多達(dá)254臺(tái)ZigBee設(shè)備，這些設(shè)備使用干電池供電，可以持續(xù)供電達(dá)一年。ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍小，適用于承載較小數(shù)據(jù)流量的業(yè)務(wù)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)任務(wù)的不同，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種分組交換和傳輸方式，在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。它的基本功能是在移動(dòng)終端與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間傳遞分組數(shù)據(jù)。GPRS具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、永久在線等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為基于ZigBee無(wú)線傳感器、利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸匯總節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）。網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

主站的工控機(jī)通過(guò)串口與GPRS模塊通信，在電機(jī)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)需要監(jiān)測(cè)的電機(jī)上安裝溫度傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)展，當(dāng)有其他需要測(cè)溫的點(diǎn)增加時(shí)，ZigBee具有自組網(wǎng)功能，在上電時(shí)會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)到新增的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)溫度信號(hào)后，經(jīng)內(nèi)含ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)RFD模塊處理后得到數(shù)據(jù)信息，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)ZigBee FFD模塊將數(shù)據(jù)信息打包處理，通過(guò)RS232與GPRS模塊相連，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可將信息實(shí)時(shí)顯示，并且具有存儲(chǔ)、查詢、報(bào)警等功能。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)元件選型及設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用DALLAS公司的DSl8B20芯片，它是采用單總線的傳輸方式的數(shù)字式傳感器，使節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低和外圍電路簡(jiǎn)單。它可以提供9～12位攝氏溫度，工作溫度范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃的范圍內(nèi)精度為0.5℃。

ZigBee模塊采用HFZ-CC2530EM-V1.0模塊，它采用TI ZigBee射頻芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內(nèi)核、128-bit ADC、2個(gè)USART以及功能強(qiáng)大的DMA功能等，支持ZigBee2207/Pro協(xié)議棧。該模塊引出所有可用I/O，用戶可使用片上所有資源?？煞奖愕膶?shí)現(xiàn)高性價(jià)比、高集成度的ZigBee解決方案。

較CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、鏈路預(yù)算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護(hù)能力等方便都有較大的提升。

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電源采用兩節(jié)1.5V干電池提供，CC2530采用休眠和定時(shí)喚醒模式，大大降低了功耗，延長(zhǎng)電池壽命。

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測(cè)溫節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示，GPRS模塊采用天津菲利科電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FK21G系列工業(yè)級(jí)GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)透明傳輸單元（GPRS DTU），本單元設(shè)備是一種工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程無(wú)線透明數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，利用公用GPRS網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。此GPRS單元內(nèi)嵌TCP/IP、UDP/PPP協(xié)議，提供遠(yuǎn)程高速透明數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入功能，并支持永遠(yuǎn)在線。內(nèi)置原裝進(jìn)口高性能西門子GPRS芯片，采用雙看門狗設(shè)計(jì)，支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS485和USB接口。該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、智能電網(wǎng)、無(wú)線抄表、能源監(jiān)控、交通物流等物聯(lián)網(wǎng)多個(gè)領(lǐng)域。GPRS模塊通過(guò)串口RS232與CC2530相連。

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件

本系統(tǒng)采用北京亞控公司開(kāi)發(fā)的組態(tài)王上位機(jī)的組態(tài)軟件，監(jiān)控界面包括各分站分布及運(yùn)行情況查詢、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表處理四個(gè)子系統(tǒng)。

分站運(yùn)行情況子系統(tǒng)可以查看各電機(jī)的運(yùn)行情況和溫度信息，并具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能。

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控中心與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，控制命令通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到指定節(jié)點(diǎn)，可以查詢各分站的溫度信息。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連，將監(jiān)控的各種數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，操作人員可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、設(shè)置、刪除等操作。

報(bào)表處理子系統(tǒng)用來(lái)統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以自動(dòng)生成各種報(bào)表，并且具有存儲(chǔ)、顯示、打印等功能。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集及發(fā)送、Zigbee網(wǎng)絡(luò)與傳感器節(jié)點(diǎn)的通信、Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)通信和GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR，面向GPRS模塊編程，使用C語(yǔ)言并借助協(xié)調(diào)器CC2530向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度信息，將這些數(shù)據(jù)處理后傳送給路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收路由節(jié)點(diǎn)的指令，并根據(jù)這些指令進(jìn)行相應(yīng)的操作，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)接收和發(fā)送指令時(shí)，進(jìn)入休眠模式，使節(jié)點(diǎn)功耗降低，其工作流程如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)查詢的方式來(lái)收發(fā)采集數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。如圖5所示，先對(duì)協(xié)議和串口上電初始化，然后進(jìn)行電量進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池電量不足時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。子節(jié)點(diǎn)執(zhí)行入網(wǎng)進(jìn)程，刷新路由檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)有沒(méi)有添加或刪除節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定操作。接下來(lái)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)入查詢狀態(tài)，而協(xié)調(diào)器則一直處于收發(fā)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)控中心有數(shù)據(jù)采集命令或控制命令傳向測(cè)溫節(jié)點(diǎn)時(shí)，協(xié)調(diào)器將暫時(shí)把屬于自己測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間向協(xié)調(diào)器查詢是否有屬于自己的數(shù)據(jù)，若有，則取回?cái)?shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作；若無(wú)，則進(jìn)入下一輪查詢狀態(tài)。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用ZigBee和GPRS無(wú)線通信方式相結(jié)合的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線化、遠(yuǎn)程化。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的ZigBee采用CC2530模塊，不再需要其他處理器，不但降低了系統(tǒng)的成本，也大大降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功耗，ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)主控模塊與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，GPRS網(wǎng)絡(luò)解決了ZigBee的短距離傳輸局限性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控。