□ 袁 佳 □ 焦志曼 □ 余建波

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

随着我国工业化进程的推进和自动化程度的提高，现场数据监测与控制技术被广泛应用于各类工业过程，并逐渐呈现网络化、远距离的特点。现有的数据监测系统大都使用有线方式，在各采集点安放传感器，通过现场总线或工业以太网传输数据［1］，存在线路多、布线复杂、维护困难等缺点，降低了系统的灵活性、可扩展性和可维护性，增加了系统成本［2］，在很多特定区域无法顺利使用。而与无线通信技术相结合的无线监测系统则无需布线，可忽略监测环境的不利条件影响，随意增减数据采集点，自动组网，且监测节点功耗低、生命周期长，既方便使用又节省布线成本［3］。

文献［4］提出了一种开放式、模块化、分布式智能控制系统的拓扑结构，给出了将工业以太网直接应用于车间数字设备智能控制的设计方案。文献［5］根据一些环境温度、湿度实时监测的需要，以SHT10为温、湿度传感器，设计实现了温、湿度的数据采集与传输。文献［6］设计了一种结合Zigbee和GPRS的远程监控系统，可以对远程的状态信息进行监控和实时采集。文献［7］开发了一种基于嵌入式网络技术的远程监测系统，验证了嵌入式网络技术的有效性和应用系统的可行性。

针对现有车间监测系统存在的问题，本文开发了一种基于Internet和ZigBee的制造车间分布式远程监测系统，有效地将有线通信和无线通信相结合，充分发挥Internet网络覆盖范围广和ZigBee无线自组网、低功耗的特点，实现优势互补。该系统监测终端无需布线，扩展性强，使用能耗低，控制灵活方便。智能监测终端通过组建ZigBee无线网络实现对制造车间的状态监测，同时和Internet通信相结合，通过与远程控制中心PC计算机连接，可接入互联网实现远程智能监测，最后以温、湿度传感器为例，对制造车间分布式监测系统做了实际验证。

1 系统架构

本文提出了基于Internet和ZigBee的制造车间分布式智能监测系统（如图1所示），系统主要包括车间网桥、ZigBee无线通信模块、终端监测模块。在ARM微处理器中移植RT-thread操作系统作为网桥，通过路由器与以太网连接，实现车间监测无线通信网络与Internet网络的通信连接。

▲图1 系统架构图

系统工作流程：车间监测网络采用星型网络结构，制造车间信息数据在监测网络中自由传输，经ZigBee模块传送至网桥，由网桥通过Ethernet模块传输至外部网络，用户可以通过上位机远程智能监测界面，实时查看制造车间状态信息，也可以通过手机或PC机实时在线查看，网桥对控制命令作出判断和响应，根据数据帧中的信息，控制相应监测节点，做出相应的动作。

2 硬件系统设计

2.1 网桥设计

网桥就是外部Internet网络与ZigBee无线监测网络的一个连接点，实现车间监测数据信息网与外部通信网协议的转换，主要用来处理远程车间监测信息。网桥以ARM微处理器为中心建立硬件平台，对外通过以太网接口接入Internet网络，对内将ZigBee无线网络和终端监测节点连接成一体，用户通过远端PC机或手机就可以对车间状态信息进行查询与控制。

▲图2 网桥硬件结构图

如图2所示，设计的网桥硬件电路主要包括控制器（STM32F107VCT6）模块、通信模块（UART、ZigBee和Ethernet）、存储模块（I2C掉电存储模块和SD存储模块）、网卡模块（Realtek8201网卡芯片）等。控制器是整个网桥的核心，此系统采用意法半导体公司推出的STM32F107VCT6芯片作为网桥核心微控制器，它是一款基于Cortex-M3内核的全新STM32互连型（Connectivity）微控制器，集成了各种高性能工业标准接口，且与STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性。通过外扩存储器、通信接口、调试接口等构成硬件平台，其中STM32F107VCT6通过MII接口与RTK8201网卡模块完成数据交换，其差分输入和输出连接到带网络隔离变压器的RJ45接口的HR91105A上，其硬件连接如图3所示。

▲图3 网桥硬件结构图

▲图4 ZigBee节点硬件结构图

2.2 ZigBee无线模块设计

ZigBee网络模块是整个系统的核心，它主要由CC2430控制芯片、CC2591功放芯片以及少量的外围器件构成。CC2430芯片是用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它在内部整合了基于IEEE802.15.4标准的射频无线收发器、一个工业级小巧高效的8051微控制器和Flash内存［9］。但是CC2430芯片本身的通信距离十分有限，因此要增加一个功放芯片CC2591来加大节点通信距离，减少通信延时，增加通信稳定性。

ZigBee无线网络［10］中包含终端监测节点、协调器节点等。A/D转换驱动电路以及传感器信息采集电路与ZigBee模块相连，构成终端监测节点，实现制造车间状态信息实时监测；协调器节点由一个ZigBee模块和RS232接口组成，负责创建和管理网络，接收远程无线控制信号并传向ZigBee网络。各终端节点和协调器共同构成了系统的ZigBee网络部分，其硬件结构如图4所示，其中协调器节点没有A/D转换驱动电路，主要实现无线数据的双向传输。

2.3 终端监测模块设计

监测终端主要包括无线模块、传感器采集模块和显示模块，以SHT11传感器为例，对传感器采集模块作详细说明，实现对制造车间状态信息的实时监测。采用数字温、湿度传感器SHT11测量制造车间环境的温、湿度，通过LCD1602实时显示，并通过无线模块将采集信息发送到协调器，经由网桥发送到上位机显示，传感器SHT11采集接口电路如图5所示，LCD1602显示接口电路如图6所示。

SHT11温、湿度传感器测量精度较高且可精确测出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。CC2430与SHT11连接只需用2条I/O线，分别作为数据线DATA和时钟线SCK，并在DATA端加上拉电阻，用于将信号提拉为高电平，同时在VDD及GND接入去耦电容，再通过相应的程序编写，即可完成制造车间温、湿度环境信息的采集与传输。

▲图5 温、湿度传感器接口电路图

▲图6 LCD1602接口电路原理图

显示器件选用液晶显示模块LCD1602，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，能够同时显示16×02即32个字符，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，因此很适合应用于车间实时状态信息的显示，能够多行信息同时显示，使用方便灵活。

3 软件系统设计

3.1 ZigBee组网模块设计

ZigBee支持3种网络拓扑结构：星型结构、簇树结构和网状结构。其中，簇树和网状网络结构较为复杂；星型网络相对简单，便于管理，建网容易，扩展方便，控制灵活，很适合应用于制造车间状态信息监测，因此，选择组建ZigBee星型网络。ZigBee星型网络由ZigBee协调器和终端节点两部分组成，协调器节点负责建立并维护一个ZigBee无线网络，识别终端节点加入无线网络；终端节点负责数据采集和终端动作的执行。组网协议采用的是美国密西西比州立大学的MSSTATE_LRWPAN协议栈［11］，该协议栈可用于多种硬件平台，实现了协调器、路由器和精简功能节点之间的树路由、直接消息传输以及采用静态绑定方法的间接路由。

组网模块软件设计主要实现两方面功能：①协调器和终端子节点间的组网和通信；②实时监测车间状态信息并显示。这里具体介绍ZigBee无线网络的建立过程：首先协调器节点通过aplFormNetwork（）建立ZigBee无线网络，网络建立完成后，进入无限循环运行apsFSM（）状态机，监听入网请求信息，其它节点发送入网请求后，通过aplJoinNetwork（）加入网络，入网成功后运行apsFSM（）状态机，通过APP_STATE_RUN_APPn执行应用程序。ZigBee协调器节点流程如图7所示，ZigBee监测节点流程如图8所示。

3.2 系统控制软件设计

系统控制软件采用C#语言编写，通过Socket技术建立与制造车间网桥的通信连接，包括通信连接、实时监测、日常维护、数据管理等模块。控制界面能实时获取每个车间网桥对应的IP地址和端口号，用户通过此界面向不同IP地址下的监控终端发出实时监测采集命令，灵活方便地实现制造车间状态信息的远程智能监测。

3.3 通信采集协议

远程监测中心向智能监测节点发送包含控制命令的数据包，智能监测节点按照双方约定的协议解析收到的数据包，根据解析出的负载信息执行相应的功能。数据包协议见表1。

数据头：固定设置为F5，表示一帧数据的开始。事件号：事件类别，0x01表示普通控制消息，0xEE表示器件状态消息。上/下行：上行方向为：终端→协调器→控制器→上位机，按此方向传输的数据包此位设置为TRUE即0x01；下行方向为：上位机→控制器→协调器→终端，按此方向传输的数据包此位设置为False即0x00。长度：为源端点+目的端点+控制位+状态位。源端点：发送控制信息的端点。目的端点：接收控制信息的端点。功能位：也称标识位，表示要监测的是何种状态信息，0x01表示温、湿度信息，0x02表示油压、油温信息，0x03表示水压、气压信息，0x04表示转速、流量信息，0x05表示负载、重量信息，以此类推。地址位：0x00～0xFF，0x01代表1号车间，0x02代表2号车间，以此类推，0x00表示全部车间，最多可同时检测255个车间状态信息。数据尾：固定设置为5F，表示一帧数据的结束，与数据头一起作为数据传输的校验码，只有数据头和数据尾都正确，接收的数据才为一帧有效数据。

4 系统验证

本实验对开发的基于Internet和ZigBee的制造车间分布式智能监测系统进行了测试，包括系统监测软件、网桥、ZigBee协调器、智能监测终端。ZigBee协调器和终端监测节点组建星型网络，协调器通过串口RS232连接网桥，网桥通过RJ45接口和网线连接加入Internet网络，通过上位机监测软件监听网桥，实现PC机与网桥的通信，通过监测软件发送监测命令即可远程监测车间状态信息。

▲图7 协调器组网流程图

▲图8 监测节点程序流程图

表1 系统通信数据包协议

▲图9 车间实时状态监测系统

测试结果：ZigBee协调器节点上电即可组建网络，延时时间很短；使用外接天线，节点间信息有效传输距离确保在20 m左右，即监测区域为半径20 m的圆，完全覆盖单个车间范围；终端监测节点掉电重新上电后能够加入网络，入网速度与距离有关，但延时不会太久；Internet局域网内，PC机与网桥连接有2～3 s的延时，连接成功后，监测命令响应及时，车间实时状态信息能在监测软件和液晶屏上准确显示，实时波形如图9所示。

5 结束语

本文以ZigBee无线通信模块为核心，在CC2430芯片的基础上，研发了基于Internet和ZigBee的制造车间分布式智能监测系统，以传感器SHT11为例，完成制造车间温、湿度的实时监测，该系统具有较大的灵活性和扩展性，具有布点灵活、能耗低、使用方便等特点，通过选择不同传感器，能够很好满足工程机械、工业生产、仓储物流等很多场合的参数监测需求，具有较好的应用前景。

［1］ 祝良荣，金永敏.基于ZigBee无线技术的分布式温度监测系统［J］.机械与电子，2010（3）：49-52.

［2］ 徐朋豪，冯玉光，奚文骏，等.基于ZigBee的无线温湿度采集系统研究［J］.国外电子测量技术，2013（1）:33-36.

［3］ 尹航，张奇松，程志林.基于ZigBee无线网络的温湿度监测系统［J］.机电工程，2008（11）：20-23.

［4］ 吴修德，李刚炎，胡剑.基于工业以太网的车间数字设备智能控制系统设计［J］.机械制造，2005（11）：15-17.

［5］ 王公堂，李艳华，杨宝.基于Zigbee的温度湿度监测系统的研究［J］.电子设计工程，2013（1）:63-66.

［6］ 郝志华，郑换霞.基于Zigbee和GPRS的无线温湿度测量系统［J］.煤矿机械，2013（4）:254-257.

［7］ 张妮，高红俐，陆旭，等.基于嵌入式Internet技术的远程温度监测系统的开发［J］.机械制造，2009（3）：63-65.

［8］ 意法半导体公司.STM32F10xxx参考手册［Z］，2009.

［9］ 尹纪婷，袁佳，余建波，等.基于ARM和ZigBee的智能家居控制系统研究与开发 ［J］.计算机测量与控制，2013（9）：119-122.

［10］张永梅，杨冲，马礼，等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法［J］.计算机工程，2012（2）：71-73.