基于ZigBee的現場安全溫度在線監控系統

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

在工業生產及貨物存儲等車間現場，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損失，因而迫切需要對其溫度進行實時的監控。傳統的有線傳輸不僅因鋪線等成本高，而且通信質量及后期的維護更新升級都不佳，因此在生產現場的惡劣環境下不易采用。而基于IEEE 802．15．4協議的新興ZigBee短距離無線組網通信技術，由于低功耗、低成本、短延時、大容量和高可靠等優點，在監測與控制領域得到了廣泛的應用。本系統應用了ZigBee的無線通信技術來實現對生產現場溫度的監測，利用ZigBee的組網技術來獲取溫度事件的時間與地點信息，這樣可充分地保證現場的安全生產。

1 系統設計方案
1．1 總體設計思想
為了實現溫度監測、時間記錄及空間定位3項功能，本系統采用圖1所示的設計。整個ZigBee網絡包含3種設備：ZigBee協調器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Rotlter，ZR)和ZigBee終端設備(ZigBee EndDevice，ZED)。同時，應用了兩種網絡拓撲結構：Star(星型)網絡和Mesh(網狀)網絡。

圖1中，位于網絡外圍的4個ZR是作為空間定位的參考節點，主要起中繼器的作用，轉發來自ZED的RSSI／LQI數據至ZC以實現空間定位；分布在生產環境終端的6個攜帶溫度傳感器的ZED，主要實現周期性地檢測現場溫度的功能，并將溫度數據信息分別用LCD實時顯示和以無線方式傳輸出去；處在網絡中心的ZC是整個網絡的協調控制器，直接與PC機相連，能夠利用上位機VB程序提取各ZED的溫度數據，并根據4個ZR的RSSI／LQI數據計算出ZED的空間位置信息。
由ZC和6個ZED組成的Star網絡(如圖1中帶雙箭頭的實線所示)，主要將ZED采集的溫度數據無線傳輸到ZC，從而實現溫度監測的功能；而由ZC、ZR和ZED共同組成的。Mesh網絡(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數據，從而運用基于RSSI／LQI的定位原理來實現空間定位的功能。由于無線和串口通信的高速率性，溫度數據從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據的那一刻作為事件發生的時間(即ZED檢測到現場溫度數據的時刻)。
1．2 溫度監控的設計
溫度監控應用了組網技術中的Star網絡拓撲結構，使多個ZED節點和單個ZC進行雙向ZigBee無線通信，保證了數據信息的實時傳輸與獲取。其設計方案如圖2所示。

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