基于ZigBee的現(xiàn)場安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：研制了一套基于ZigBee技術(shù)的安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)。以MCl3213射頻SoC為硬件平臺，利用ZigBee2007協(xié)議棧分別組成了Star和Mesh網(wǎng)絡，在上位機監(jiān)控軟件上實現(xiàn)了溫度監(jiān)控與空間定位的功能。測試表明：系統(tǒng)具有O．175℃和1．1045m的精度，功能完善，運行穩(wěn)定，可擴展性好。
關鍵詞：ZigB3ee；溫度監(jiān)控；空間定位

在工業(yè)生產(chǎn)及貨物存儲等車間現(xiàn)場，由于溫度過高而引起的失火或爆炸造成了慘痛的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因而迫切需要對其溫度進行實時的監(jiān)控。傳統(tǒng)的有線傳輸不僅因鋪線等成本高，而且通信質(zhì)量及后期的維護更新升級都不佳，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境下不易采用。而基于IEEE 802．15．4協(xié)議的新興ZigBee短距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，由于低功耗、低成本、短延時、大容量和高可靠等優(yōu)點，在監(jiān)測與控制領域得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)應用了ZigBee的無線通信技術(shù)來實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場溫度的監(jiān)測，利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)來獲取溫度事件的時間與地點信息，這樣可充分地保證現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設計方案
1．1 總體設計思想
為了實現(xiàn)溫度監(jiān)測、時間記錄及空間定位3項功能，本系統(tǒng)采用圖1所示的設計。整個ZigBee網(wǎng)絡包含3種設備：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Rotlter，ZR)和ZigBee終端設備(ZigBee EndDevice，ZED)。同時，應用了兩種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：Star(星型)網(wǎng)絡和Mesh(網(wǎng)狀)網(wǎng)絡。

圖1中，位于網(wǎng)絡外圍的4個ZR是作為空間定位的參考節(jié)點，主要起中繼器的作用，轉(zhuǎn)發(fā)來自ZED的RSSI／LQI數(shù)據(jù)至ZC以實現(xiàn)空間定位；分布在生產(chǎn)環(huán)境終端的6個攜帶溫度傳感器的ZED，主要實現(xiàn)周期性地檢測現(xiàn)場溫度的功能，并將溫度數(shù)據(jù)信息分別用LCD實時顯示和以無線方式傳輸出去；處在網(wǎng)絡中心的ZC是整個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)控制器，直接與PC機相連，能夠利用上位機VB程序提取各ZED的溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)4個ZR的RSSI／LQI數(shù)據(jù)計算出ZED的空間位置信息。
由ZC和6個ZED組成的Star網(wǎng)絡(如圖1中帶雙箭頭的實線所示)，主要將ZED采集的溫度數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絑C，從而實現(xiàn)溫度監(jiān)測的功能；而由ZC、ZR和ZED共同組成的。Mesh網(wǎng)絡(如圖1中的虛線和點畫線所示)，主要是獲取并傳輸有關ZED與ZR距離的RSSI／LQI數(shù)據(jù)，從而運用基于RSSI／LQI的定位原理來實現(xiàn)空間定位的功能。由于無線和串口通信的高速率性，溫度數(shù)據(jù)從ZED傳輸至ZC再被上位機程序所提取的整個過程時間延遲非常短，因此可將上位機提取到溫度數(shù)據(jù)的那一刻作為事件發(fā)生的時間(即ZED檢測到現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的時刻)。
1．2 溫度監(jiān)控的設計
溫度監(jiān)控應用了組網(wǎng)技術(shù)中的Star網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，使多個ZED節(jié)點和單個ZC進行雙向ZigBee無線通信，保證了數(shù)據(jù)信息的實時傳輸與獲取。其設計方案如圖2所示。

系統(tǒng)分別將6個ZED放置在不同的生產(chǎn)車間里或設備上，使ZED周期性地檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度，并通過ZigBee方式將溫度數(shù)據(jù)信息傳輸至ZC；由上位機監(jiān)控軟件提取ZC接收到的溫度信息，進行處理后實時地顯示在監(jiān)控界面上，并且通過監(jiān)控軟件自主設定安全溫度范圍等系統(tǒng)參數(shù)，并傳輸給ZC和ZED，從而達到監(jiān)控的目的。