基于ZigBee的车间环境监测系统的设计
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1 系统需求分析
( 1) 监 测关 键的 环 境参 数, 包 括温 度、湿 度、 一氧化碳浓度、氧气浓度、甲烷浓度、烟雾浓度等;
( 2) 监测设备的运行状态, 包括电流、电压、功 率等电量参数;
( 3) 预警与报警功能, 如对瓦斯、一氧化碳的浓 度超限、电量参数的不合格等进行报警与预警, 并显 示相关数据;
图 2 基于 Zig Bee 的车间环境监测系统结构
( 3) 存储区: 对采集到的数据进行存储和更新, 为分析控制区提供信息。
( 4) 分析控制区: 分析运算存储区提供的采集 数据并作出决策, 从而保证车间生产情况良好及设 备的正常运转, 若发现危险或问题, 及时进行相应联 动控制。
( 5) 网络发布区: 实时监控和处理各种信息, 可 通过 Int ernet 上传各种信息和下达各种命令, 实现 远程监测功能。 3. 1 采集网络
[ 2] 阮殿旭, 唐 大 放, 张 晓光, 等. Zig bee 技 术 无 线传 感 器 网络在煤 矿 井 下 环 境 监 测 中 的 应 用 研 究 [ J] . 煤 矿 机械, 2008, 29( 6) : 163 164.
[ 3] 卜富清, 王茂 芝, 于 庆 刚. 基 于 BP 神 经 网 络 的 数 字 识别[ J] . 长江大学学报, 2009, 6( 2) : 293 294.
4 结语
实际应用表明, 基于 Zig Bee 的车间环境监测系
图 4 地理信息系统结构
统所构成的数据采集网络能够实时完成对生产车间 气体及相关设备参数的数据监测与控制任务, 并通 过现场总线传到上位机实现预警与报警, 提高了车 间安全监控水平, 具有一定的实用性。
参考文献:
[ 1] 张克, 李 洋, 陈 炼, 等. 基 于 Z igBee 的 传 感 器 网络 在 石化工业 中的应用探讨[ J] . 计算机 工程与设 计, 2007, 28( 2) : 409 411.
应用[ D] . 天津: 天津大学, 2003. [ 6] 王开治, 刘翠珊, 栾江峰, 等. 数字无线网络技术在 实时
无损检测系统中的 应用 [ J] . 虚 拟仪 器技 术, 2008( 8) : 182 184. [ 7] 周智勇. 智能传感器无 线网 络提高 采矿 作业的 安全 性 [ J] . 电子产品世界, 2008( 6) : 56 60. [ 8] 韩萌, 刘晟. 浅 谈 DSP 技 术 的 应 用 和 发 展 前 景 [ J] . 科技信息, 2009( 8) : 148.
实际物理地址, 实现监测点的数据管理、监视及服务。实际应用表明, 该系统提高了车间安全监控水平, 具有
一定的实用性。
关键词: 车间; 环境监测; 无线通信; 无线传感器网络; ZigBee; 地理信息系统; GIS 数据库
中图分类号: TD676
文献标识码: B
0 引言
目前的车间安全监控系统基本上采用有线传输 方式, 具有传输稳定、抗干扰性强等优点。但对于 一些特殊区域, 如石化行业的腐蚀性强的车间[ 1] 、采 掘作业区域等, 有线网 络容易破坏, 不利于信 息传 输, 且二次改装困难。以 Zig Bee 无线传感器网络为 基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很 好地解决环境恶劣车间内的通信问题, 且二次改装
ZigBee 无线传感器网络支持 2 类物理设备[ 7] : 全功能设备 ( F FD) 和 精简功能 设备( RF D) 。其中 F FD 承担了网络协调者的功能, 可以同网络中的任 何设备通信, 支持任何拓扑结构, 是具有路由与中继 功能的网络节点; RFD 节点作为网 络终端节点, 相 互间不能直接通信, 只能通过 FF D 节点通信[ 8] 。
[ 6] 李栋, 秦宁宁, 徐保国. 基于 无线传 感器 网络的 嵌入 式 温室监 控 系 统 [ J] . 仪 表 技 术 与 传 感 器, 2009 ( 5 ) : 41 42.
[ 7] 戴吉, 丁恩杰, 王 昕, 等. 基 于无 线 传感 器 网 络的 井 下 温度监测系统设计[ J] . 传感器 与微系统 , 2009, 28( 4) : 102 104.
14
工矿自动化
2010 年 9 月
图 3 采集网络结构
3. 2 GIS 数据库 地理信息系统( GIS) 处理、管理的对象是 多种
地理空间实体数据及其关系, 包括空间定位数据、图 形数据、遥感图像数据、属性数据等, 用于分析和处 理在一定地理区域内分布的各种现象和过程, 解决 复杂的规划、决策和管理问题。结合地理信息系统, 有利于实现车间设备及重要监测物的集中管理和控 制, 提高工 作人员 的工作 效率, 及时、准 确地获 取 各车间信息, 直观地了解各种设备的运行状况。通 过 GIS 数据库提供车间各种设备及监测点 的实际 物理地址, 配合 Z ig Bee 无线传感器网络地址分配, 可以实现监测点的数据管理、现场监视及相关控制。
[ 8] 代媛, 杨龙, 何东健. Zig Bee 在作物 种植 环境监 测系 统 的应用[ J] . 微计算机信息, 2009, 25( 2) : 23 24.
图 1 基于 Zig Bee 的车 间环境监测系统工作流程
3 系统组成 基于 ZigBee 的车间环境监测系统参考 网络体
系结构 OSI 模型确定现场实际需求的 ZigBee 无线 传感器网络[ 5] , 将数据通过网关传输至存储器, 利用 专家库、信息库等将数据模型或设备信息提供给分 析者, 通过上位机和远程监控完成管理控制功能[ 6] 。 其结构如图 2 所示。
收稿日期: 2010- 05- 06 基金项目: 甘肃省重大技术创新项目( 甘经技[ 2008 ] 267 号- 8, 甘财建[ 2008] 113 号- 8) 作者简介: 李战明( 1962- ) , 男, 陕西 武功人, 教授, 博士 研究生 导师, 兰州理工大学 电气工 程与信 息工程 学院 院长, 主 要从事 智能 控制、信息融合、计算机控制等方面的研 究工作。E mail: liquan3182 @ yahoo. com. cn
[ 4] 吕强, 境 检测报警系统设计 [ J] . 微计 算机 信息, 2009, 25( 17) : 51 52.
[ 5] 刘杰, 邓志东, 杨鹏, 等. 基 于 Zig Bee 协 议的 煤矿 井 下 嵌入式系统[ J] . 计算机应用, 2008, 28( S2) : 302 304.
结合车间实际情况, 本系统采用网状网结构, 包 含传感器节点、路由器节点和网关节点, 其中传感器 节点即为 RFD, 由核心芯片 CC2430 构成, 每个包含 数个不同的传感器形成传感器采集组。传感器节点 将采集到的数据通过 ZigBee 无线传感器网络传输 给网关, 距离远、信号弱的传感器节点通过多跳自组 网中路由器的中继作用将采集数据传给网关。路由 器节点为 FF D, 硬件同传感器节点, 只是多了路由 功能, 起到中继和连接无线线路的功能, 通过它可将 传感器节点采集的数据上传, 也可将自身所带传感 器数据上传[ 9] 。网关节点 为 FF D, 不带传感 器, 其 它硬件和路由节点一样, 负责将以它为中心的网状 网数据汇总, 与它交换数据的现场总线通过交换机 相接, 每个网关都有自己确定的物理地址, 通过网络 协议可以分配 IP 地址。采集网络结构如图 3 所示。
第9期 2010 年 9 月
工 矿 自动 化
Industr y and M ine A utomation
No. 9 Sep. 2010
文章编号: 1671- 251X( 2010) 09- 0012- 03
基于 ZigBee 的车间环境监测系统的设计
李战明1 , 李泉1, 2 , 殷培峰2
( 1. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州石化职业技术学院电子电气工程系, 甘肃 兰州 730060)
摘要: 为了解决环境恶劣车间内的通信问题, 提出了一种基于 ZigBee 的车间环境监测系统的设计方案。
该系统通过 ZigBee 无线传感器网络自动采集车间生产过程、设备与工作环境等数据, 采集到的各种数据通
过现场总线实时传送到 GIS 数据库, 再对数据进行统一分析; 通过 GIS 数据库提供车间各设备及监测点的
( 1) 采集区: ZigBee 无线传感器网络覆盖整个 工厂区域, 固定数据采集节点和移动数据采集节点 分别部署在车间各个需要监测的点位上, 为系统提 供可靠数据。
( 2) 传输区: Z ig Bee 网关与工业现场总线相接, 通过现场总线的稳定性和通用性, 将采集到的数据 实时准确地传输到上位机数据库, 为上位机专家库、 BP 识别等提供采集数据。事实上, 传输区即为无线 和有线数据通路的接口部分。
[ 3] 张寒松, 贾瑞 清, 王廷 军. 采 煤机 的故 障分 析与 诊断 及其发展趋势[ J] . 矿冶, 2004( 2) : 85 88.
[ 4] 杨志伊, 刘同冈 . 煤矿井下设备振动监测与故障 诊断的
研究[ J] . 煤矿机电, 2002( 1) : 20 22. [ 5] 薛婷. 分布式在线振动监测网 络系统研 究及其 DSP 的
容易。本文结合 ZieBee 无线传感器网络成本低、功 耗小、布 置 灵 活 方 便 等 特 点, 设 计 了 一 种 基 于 ZigBee 的车间环境监测系统, 该系统中的无线传感 器节点具有自组网和无线路由功能, 可以对整个需 要监控的环境区域进行自由的接触式节点布置, 并 可实时采集、上传数 据; 该 系统将采 集网络与 GIS 相连, 为实时监控和预警提供了可靠数据源[ 2] 。
完整的信息模型即一个数据 齐全的 GIS 数据 库是地理信息 系统的 基础, 它 涉及到 生产 车间 的 各方面信息, 包括各种地理空间实体、各网关的确切 地理位置、设备的属性数据等。利用上述参数建立 GIS 数据库, 并在此基础上构建地理图层和应用程 序。将空间实体构成的地理图层按一定比例显示于 控制中心地理 信息系 统的 人机 对话界 面上, 且 将 各个车间的属性数据与其进行链接, 能随时查询各 个车间的各项参数。地理信息系统对不同系统之间 的数据转换是通过其内部应用程序实现的。应用程 序读取数据库中的信息、显示各车间综合监测数据, 在地理图层上相对应的网关位置进行动态显示。当 实时监测数据超出设定的安全系数范围时, 将会通 过算法激活预报警系统, 并在相应界面位置上输出 报警信息。同时在人机对话界面上工作人员可直接 发出各种指令, 对设备进行相应控制。地理信息系 统结构如图 4 所示。
2010 年第 9 期
李战明等: 基于 ZigBee 的车间环境监测系统的设计
13
( 4) 依照预警与报警提示, 做出相应联动控制, 力求迅速排除故障; 远程发布数据, 实现车间的远程 监测功能。
2 系统总体设计
基于 ZigBee 的车间环境监测系统采取 统一监 测、综合分析的方法, 实现对车间生产过程的监测与 预警, 通过 Zig Bee 无线传感器网络自动采集车间生 产过程、设备与工作环境等数据; 车间各种运行设备 状况数据; 人员、移动设备运行轨迹数据。采集到的 各种数据通过现场总线实时传送到数据库, 对数据 进行统一分析: 利用各种专家系统和 BP 神 经网络 算法[ 3] 以及一些规则库对可能存在的安全隐患和灾 害进行判断与预测, 实时地指导生产过程; 对可能存 在的安全隐患和灾害做出及时补救, 并做出相应的 告警[ 4] 。系统工作流程如图 1 所示。
参考文献:
[ 1] 刘云霞, 黄静雯, 谭得 健. 基于现 场总线 技术的电 牵引 采煤机 监 测监 控 与 故 障 诊 断 系 统 [ J] . 工 矿 自 动 化, 2002( 6) : 29 31.
[ 2] 冯泾若, 杨旗平, 刘建 功. 我国薄 煤层电 牵引采煤 机的 技术现状和发展趋势[ J] . 煤矿机电, 2005( 1) : 11 14.
( 1) 监 测关 键的 环 境参 数, 包 括温 度、湿 度、 一氧化碳浓度、氧气浓度、甲烷浓度、烟雾浓度等;
( 2) 监测设备的运行状态, 包括电流、电压、功 率等电量参数;
( 3) 预警与报警功能, 如对瓦斯、一氧化碳的浓 度超限、电量参数的不合格等进行报警与预警, 并显 示相关数据;
图 2 基于 Zig Bee 的车间环境监测系统结构
( 3) 存储区: 对采集到的数据进行存储和更新, 为分析控制区提供信息。
( 4) 分析控制区: 分析运算存储区提供的采集 数据并作出决策, 从而保证车间生产情况良好及设 备的正常运转, 若发现危险或问题, 及时进行相应联 动控制。
( 5) 网络发布区: 实时监控和处理各种信息, 可 通过 Int ernet 上传各种信息和下达各种命令, 实现 远程监测功能。 3. 1 采集网络
[ 2] 阮殿旭, 唐 大 放, 张 晓光, 等. Zig bee 技 术 无 线传 感 器 网络在煤 矿 井 下 环 境 监 测 中 的 应 用 研 究 [ J] . 煤 矿 机械, 2008, 29( 6) : 163 164.
[ 3] 卜富清, 王茂 芝, 于 庆 刚. 基 于 BP 神 经 网 络 的 数 字 识别[ J] . 长江大学学报, 2009, 6( 2) : 293 294.
4 结语
实际应用表明, 基于 Zig Bee 的车间环境监测系
图 4 地理信息系统结构
统所构成的数据采集网络能够实时完成对生产车间 气体及相关设备参数的数据监测与控制任务, 并通 过现场总线传到上位机实现预警与报警, 提高了车 间安全监控水平, 具有一定的实用性。
参考文献:
[ 1] 张克, 李 洋, 陈 炼, 等. 基 于 Z igBee 的 传 感 器 网络 在 石化工业 中的应用探讨[ J] . 计算机 工程与设 计, 2007, 28( 2) : 409 411.
应用[ D] . 天津: 天津大学, 2003. [ 6] 王开治, 刘翠珊, 栾江峰, 等. 数字无线网络技术在 实时
无损检测系统中的 应用 [ J] . 虚 拟仪 器技 术, 2008( 8) : 182 184. [ 7] 周智勇. 智能传感器无 线网 络提高 采矿 作业的 安全 性 [ J] . 电子产品世界, 2008( 6) : 56 60. [ 8] 韩萌, 刘晟. 浅 谈 DSP 技 术 的 应 用 和 发 展 前 景 [ J] . 科技信息, 2009( 8) : 148.
实际物理地址, 实现监测点的数据管理、监视及服务。实际应用表明, 该系统提高了车间安全监控水平, 具有
一定的实用性。
关键词: 车间; 环境监测; 无线通信; 无线传感器网络; ZigBee; 地理信息系统; GIS 数据库
中图分类号: TD676
文献标识码: B
0 引言
目前的车间安全监控系统基本上采用有线传输 方式, 具有传输稳定、抗干扰性强等优点。但对于 一些特殊区域, 如石化行业的腐蚀性强的车间[ 1] 、采 掘作业区域等, 有线网 络容易破坏, 不利于信 息传 输, 且二次改装困难。以 Zig Bee 无线传感器网络为 基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很 好地解决环境恶劣车间内的通信问题, 且二次改装
ZigBee 无线传感器网络支持 2 类物理设备[ 7] : 全功能设备 ( F FD) 和 精简功能 设备( RF D) 。其中 F FD 承担了网络协调者的功能, 可以同网络中的任 何设备通信, 支持任何拓扑结构, 是具有路由与中继 功能的网络节点; RFD 节点作为网 络终端节点, 相 互间不能直接通信, 只能通过 FF D 节点通信[ 8] 。
[ 6] 李栋, 秦宁宁, 徐保国. 基于 无线传 感器 网络的 嵌入 式 温室监 控 系 统 [ J] . 仪 表 技 术 与 传 感 器, 2009 ( 5 ) : 41 42.
[ 7] 戴吉, 丁恩杰, 王 昕, 等. 基 于无 线 传感 器 网 络的 井 下 温度监测系统设计[ J] . 传感器 与微系统 , 2009, 28( 4) : 102 104.
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工矿自动化
2010 年 9 月
图 3 采集网络结构
3. 2 GIS 数据库 地理信息系统( GIS) 处理、管理的对象是 多种
地理空间实体数据及其关系, 包括空间定位数据、图 形数据、遥感图像数据、属性数据等, 用于分析和处 理在一定地理区域内分布的各种现象和过程, 解决 复杂的规划、决策和管理问题。结合地理信息系统, 有利于实现车间设备及重要监测物的集中管理和控 制, 提高工 作人员 的工作 效率, 及时、准 确地获 取 各车间信息, 直观地了解各种设备的运行状况。通 过 GIS 数据库提供车间各种设备及监测点 的实际 物理地址, 配合 Z ig Bee 无线传感器网络地址分配, 可以实现监测点的数据管理、现场监视及相关控制。
[ 8] 代媛, 杨龙, 何东健. Zig Bee 在作物 种植 环境监 测系 统 的应用[ J] . 微计算机信息, 2009, 25( 2) : 23 24.
图 1 基于 Zig Bee 的车 间环境监测系统工作流程
3 系统组成 基于 ZigBee 的车间环境监测系统参考 网络体
系结构 OSI 模型确定现场实际需求的 ZigBee 无线 传感器网络[ 5] , 将数据通过网关传输至存储器, 利用 专家库、信息库等将数据模型或设备信息提供给分 析者, 通过上位机和远程监控完成管理控制功能[ 6] 。 其结构如图 2 所示。
收稿日期: 2010- 05- 06 基金项目: 甘肃省重大技术创新项目( 甘经技[ 2008 ] 267 号- 8, 甘财建[ 2008] 113 号- 8) 作者简介: 李战明( 1962- ) , 男, 陕西 武功人, 教授, 博士 研究生 导师, 兰州理工大学 电气工 程与信 息工程 学院 院长, 主 要从事 智能 控制、信息融合、计算机控制等方面的研 究工作。E mail: liquan3182 @ yahoo. com. cn
[ 4] 吕强, 境 检测报警系统设计 [ J] . 微计 算机 信息, 2009, 25( 17) : 51 52.
[ 5] 刘杰, 邓志东, 杨鹏, 等. 基 于 Zig Bee 协 议的 煤矿 井 下 嵌入式系统[ J] . 计算机应用, 2008, 28( S2) : 302 304.
结合车间实际情况, 本系统采用网状网结构, 包 含传感器节点、路由器节点和网关节点, 其中传感器 节点即为 RFD, 由核心芯片 CC2430 构成, 每个包含 数个不同的传感器形成传感器采集组。传感器节点 将采集到的数据通过 ZigBee 无线传感器网络传输 给网关, 距离远、信号弱的传感器节点通过多跳自组 网中路由器的中继作用将采集数据传给网关。路由 器节点为 FF D, 硬件同传感器节点, 只是多了路由 功能, 起到中继和连接无线线路的功能, 通过它可将 传感器节点采集的数据上传, 也可将自身所带传感 器数据上传[ 9] 。网关节点 为 FF D, 不带传感 器, 其 它硬件和路由节点一样, 负责将以它为中心的网状 网数据汇总, 与它交换数据的现场总线通过交换机 相接, 每个网关都有自己确定的物理地址, 通过网络 协议可以分配 IP 地址。采集网络结构如图 3 所示。
第9期 2010 年 9 月
工 矿 自动 化
Industr y and M ine A utomation
No. 9 Sep. 2010
文章编号: 1671- 251X( 2010) 09- 0012- 03
基于 ZigBee 的车间环境监测系统的设计
李战明1 , 李泉1, 2 , 殷培峰2
( 1. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州石化职业技术学院电子电气工程系, 甘肃 兰州 730060)
摘要: 为了解决环境恶劣车间内的通信问题, 提出了一种基于 ZigBee 的车间环境监测系统的设计方案。
该系统通过 ZigBee 无线传感器网络自动采集车间生产过程、设备与工作环境等数据, 采集到的各种数据通
过现场总线实时传送到 GIS 数据库, 再对数据进行统一分析; 通过 GIS 数据库提供车间各设备及监测点的
( 1) 采集区: ZigBee 无线传感器网络覆盖整个 工厂区域, 固定数据采集节点和移动数据采集节点 分别部署在车间各个需要监测的点位上, 为系统提 供可靠数据。
( 2) 传输区: Z ig Bee 网关与工业现场总线相接, 通过现场总线的稳定性和通用性, 将采集到的数据 实时准确地传输到上位机数据库, 为上位机专家库、 BP 识别等提供采集数据。事实上, 传输区即为无线 和有线数据通路的接口部分。
[ 3] 张寒松, 贾瑞 清, 王廷 军. 采 煤机 的故 障分 析与 诊断 及其发展趋势[ J] . 矿冶, 2004( 2) : 85 88.
[ 4] 杨志伊, 刘同冈 . 煤矿井下设备振动监测与故障 诊断的
研究[ J] . 煤矿机电, 2002( 1) : 20 22. [ 5] 薛婷. 分布式在线振动监测网 络系统研 究及其 DSP 的
容易。本文结合 ZieBee 无线传感器网络成本低、功 耗小、布 置 灵 活 方 便 等 特 点, 设 计 了 一 种 基 于 ZigBee 的车间环境监测系统, 该系统中的无线传感 器节点具有自组网和无线路由功能, 可以对整个需 要监控的环境区域进行自由的接触式节点布置, 并 可实时采集、上传数 据; 该 系统将采 集网络与 GIS 相连, 为实时监控和预警提供了可靠数据源[ 2] 。
完整的信息模型即一个数据 齐全的 GIS 数据 库是地理信息 系统的 基础, 它 涉及到 生产 车间 的 各方面信息, 包括各种地理空间实体、各网关的确切 地理位置、设备的属性数据等。利用上述参数建立 GIS 数据库, 并在此基础上构建地理图层和应用程 序。将空间实体构成的地理图层按一定比例显示于 控制中心地理 信息系 统的 人机 对话界 面上, 且 将 各个车间的属性数据与其进行链接, 能随时查询各 个车间的各项参数。地理信息系统对不同系统之间 的数据转换是通过其内部应用程序实现的。应用程 序读取数据库中的信息、显示各车间综合监测数据, 在地理图层上相对应的网关位置进行动态显示。当 实时监测数据超出设定的安全系数范围时, 将会通 过算法激活预报警系统, 并在相应界面位置上输出 报警信息。同时在人机对话界面上工作人员可直接 发出各种指令, 对设备进行相应控制。地理信息系 统结构如图 4 所示。
2010 年第 9 期
李战明等: 基于 ZigBee 的车间环境监测系统的设计
13
( 4) 依照预警与报警提示, 做出相应联动控制, 力求迅速排除故障; 远程发布数据, 实现车间的远程 监测功能。
2 系统总体设计
基于 ZigBee 的车间环境监测系统采取 统一监 测、综合分析的方法, 实现对车间生产过程的监测与 预警, 通过 Zig Bee 无线传感器网络自动采集车间生 产过程、设备与工作环境等数据; 车间各种运行设备 状况数据; 人员、移动设备运行轨迹数据。采集到的 各种数据通过现场总线实时传送到数据库, 对数据 进行统一分析: 利用各种专家系统和 BP 神 经网络 算法[ 3] 以及一些规则库对可能存在的安全隐患和灾 害进行判断与预测, 实时地指导生产过程; 对可能存 在的安全隐患和灾害做出及时补救, 并做出相应的 告警[ 4] 。系统工作流程如图 1 所示。
参考文献:
[ 1] 刘云霞, 黄静雯, 谭得 健. 基于现 场总线 技术的电 牵引 采煤机 监 测监 控 与 故 障 诊 断 系 统 [ J] . 工 矿 自 动 化, 2002( 6) : 29 31.
[ 2] 冯泾若, 杨旗平, 刘建 功. 我国薄 煤层电 牵引采煤 机的 技术现状和发展趋势[ J] . 煤矿机电, 2005( 1) : 11 14.