基于ZigBee的实训车间无线监控系统

黄学飞，李兆飞，诸进才，亓晓彬

（广州铁路职业技术学院 机械与电子学院，广东 广州 510430）

“花都工学结合示范园”是广州铁路职业技术学院于2009年4月开始建设的花都工学结合基地，占地96亩，共建了7个生产性实训车间，学院自行投资建有SMT、机加工、数控加工等3个车间。随着“花都工学结合示范园”的快速发展，学院管理的设备日益增多，设备的管理与维护的工作也越来越大，无法及时掌握设备的利用率以及现场设备的运行状况，因此难以保证及时发现设备隐患。若用人工值守方式，其成本较高，因此，探索建立技术先进、功能强大的监控系统来管理与维护花都工学结合示范园设备正常工作具有重大的意义。

1 系统总体设计方案

“花都工学结合示范园”生产性实训车间的设备基本上已安装固定完毕，传统的车间设备监控系统是通过有线网络进行信号的采集、传输和发送。由于车间设备多而杂、信号繁多，使综合布线及检查维修很不方便，而且工程量大，维护费用高。为减少系统的工作量，整个车间设备如果采用无线的方式就可以省掉布线的麻烦。考虑到当前无线信息技术的现状，采用ZigBee技术将是系统的最佳方案。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的传输速率，传输距离在10～75 m的范围内，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

整个系统由上位机和下位机两大部分构成。其中，上位机主要是对系统进行集中管理、对采集的数据进行分析和整理以及对系统的控制。下位机主要是对监控信息的采集、上传以及接收上位机的控制指令对终端设备进行控制。下位机主要由数据采集设备和ZigBee传输设备两部分组成。数据采集设备负责各个监控节点的参数采集，并将采集到的数据通过ZigBee传输模块发送到ZigBee传输设备上，同时将接收ZigBee传输设备下发的控制指令。ZigBee传输设备作为与上位机和数据采集设备的通信中间设备，主要负责接收数据采集设备所采集的数据，并将数据上传到上位机，同时也接收上位机的控制指令，并把该指令下发给相应的数据采集设备控制设备的运行。具体的车间无线监控系统方案如图1所示。

2 系统硬件设计

“花都工学结合示范园”生产性实训车间的设备主要有数控铣床、数控车床、加工中心、电火花数控机床、电火花线切割机床、普通车床以及其他三坐标测量机等。数据采集设备主要采集每台设备的运行状态、报警信号以及输出控制信号。对于每台设备的运行状态信息可以采用检测是否有电流通过进行判断，报警信号则通过机床的报警信号读出，输出控制信号主要控制设备的启动或停止。由于系统需要将采集到的信号通过ZigBee传输模块上传到ZigBee传输设备，这就需要一部分硬件电路与ZigBee传输模块连接，并与ZigBee传输设备的ZigBee传输模块进行信息交换。为此，控制信息交换的电路采用微芯公司开发的PIC系列单片机。该单片机采用精简指令集（RISC）、哈佛总线（Harvard）结构、二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点，并将大量的资源全部集成在芯片内部，包括I/O、存储器、通信接口等，使系统电路板需要的空间大大简化，而且一些对高频通信可能产生的干扰噪声大大减少，加上可以用电池供电和具有低功耗模式等特点，使PIC系列单片机非常适合应用于短距离无线通信和无线网络中。本系统采用了微芯公司的PIC18F4620单片机和TI/CHIPCON公司的CC2420最新无线ZigBee芯片。数据采集设备硬件结构图如图2所示。

图1 车间无线监控系统方案

图2 数据采集设备硬件方案

对于ZigBee传输设备，主要将采集到的信号与上位机交换，所以该ZigBee传输设备必须有一部分硬件电路与数据采集设备进行信息交换，这部分硬件电路采用ZigBee传输模块与控制部分的PIC18F4620单片机进行相连。同时有一部分硬件电路与上位机进行信息交换。这部分电路采用GPRS通信模块与控制部分的PIC18F4620单片机进行相连。GPRS模块选择法国WAVECOM公司生产的Q2403，该模块符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，下载速度为5 316 kb/s，上传速度为2 618 kb/s。模块提供一个符合V24协议的异步串行通信接口，支持加密算法，集成射频电路和基带于一体，性能稳定，可以快速、可靠地传输。Q2403和PIC18F4620单片机通过串行接口相连接，如图3所示。

图3 ZigBee传输设备硬件方案

该无线监控系统能够实时地响应上位机发出的控制命令，相应的控制点按照上位机发来的命令完成相应的任务。如果上位机没有向控制点发送控制命令，控制点则按系统设置好的时间间隔，经ZigBee网络周期性地采集环境数据，由GPRS模块实时地传送到上位机中。

3 系统软件设计

系统软件部分由下位机与上位机两部分组成。其中下位机软件主要是采集数据，上位机软件主要是管理和控制系统。

下位机软件主要由ZigBee每个数据采集设备和ZigBee传输设备上的软件组成。ZigBee每个数据采集设备主要完成数据的采集和对设备进行控制。ZigBee每个数据采集设备上电初始化后，首先判断是否有上位机发送的控制指令，如有则先执行上位机发的控制指令，然后ZigBee每个数据采集设备则按照所设置的时间间隔进行定时的数据采集，并将采集的数据在ZigBee每个数据采集设备的单片机上进行数据处理。如果数据发生了变化则发送到ZigBee传输设备上，由ZigBee传输设备发送到上位机，并保存在服务器里。ZigBee传输设备主要完成数据交换的中介作用，既要通过GPRS通信模块接收上位机的数据，并将接收到的数据通过ZigBee传输模块下发给相应的ZigBee每个数据采集设备，又要通过ZigBee传输模块接收ZigBee每个数据采集设备所采集的数据，并将采集的数据通过GPRS通信模块上传到上位机。下位机软件流程如图4所示。

图4 下位机软件流程图

图5 上位机软件功能模块结构图

上位机软件主要实现实时监控实训车间设备的运行状态、控制相应的设备、管理整个系统的运行和对采集的数据进行分析处理。主要模块包括实时监控和报警、设备运行控制、参数配置、用户管理、数据分析、权限管理、数据管理等功能模块。如图5所示。将GPRS和ZigBee技术应用到实训车间设备监控系统，解决了实训车间设备在管理上的诸多问题，不仅大大减轻了实训车间设备管理人员的工作量，同时也使学院领导能及时了解实训设备的运行状况和使用状况。在该系统中，采用ZigBee无线传感器网络技术和GPRS无线远程传输技术，使该系统具有ZigBee技术的组网速度快、成本比较低、功耗比较小、网络结构简单、对参数能进行实时监控和远程通信、安装费用低廉、维护简单等特点。该监测网络模型具有一定的通用性和广阔的发展前景。

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