基于ZigBee的现场安全温度在线监控系统

摘要：研制了一套基于ZigBee技术的安全温度在线监控系统。以MCl3213射频SoC为硬件平台，利用ZigBee2007协议栈分别组成了Star和Mesh网络，在上位机监控软件上实现了温度监控与空间定位的功能。测试表明：系统具有O．175℃和1．1045m的精度，功能完善，运行稳定，可扩展性好。
关键词：ZigB3ee；温度监控；空间定位

    在工业生产及货物存储等车间现场，由于温度过高而引起的失火或爆炸造成了惨痛的人员伤亡和财产损失，因而迫切需要对其温度进行实时的监控。传统的有线传输不仅因铺线等成本高，而且通信质量及后期的维护更新升级都不佳，因此在生产现场的恶劣环境下不易采用。而基于IEEE 802．15．4协议的新兴ZigBee短距离无线组网通信技术，由于低功耗、低成本、短延时、大容量和高可靠等优点，在监测与控制领域得到了广泛的应用。本系统应用了ZigBee的无线通信技术来实现对生产现场温度的监测，利用ZigBee的组网技术来获取温度事件的时间与地点信息，这样可充分地保证现场的安全生产。

1 系统设计方案
1．1 总体设计思想
    为了实现温度监测、时间记录及空间定位3项功能，本系统采用图1所示的设计。整个ZigBee网络包含3种设备：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Rotlter，ZR)和ZigBee终端设备(ZigBee EndDevice，ZED)。同时，应用了两种网络拓扑结构：Star(星型)网络和Mesh(网状)网络。

    图1中，位于网络外围的4个ZR是作为空间定位的参考节点，主要起中继器的作用，转发来自ZED的RSSI／LQI数据至ZC以实现空间定位；分布在生产环境终端的6个携带温度传感器的ZED，主要实现周期性地检测现场温度的功能，并将温度数据信息分别用LCD实时显示和以无线方式传输出去；处在网络中心的ZC是整个网络的协调控制器，直接与PC机相连，能够利用上位机VB程序提取各ZED的温度数据，并根据4个ZR的RSSI／LQI数据计算出ZED的空间位置信息。
    由ZC和6个ZED组成的Star网络(如图1中带双箭头的实线所示)，主要将ZED采集的温度数据无线传输到ZC，从而实现温度监测的功能；而由ZC、ZR和ZED共同组成的。Mesh网络(如图1中的虚线和点画线所示)，主要是获取并传输有关ZED与ZR距离的RSSI／LQI数据，从而运用基于RSSI／LQI的定位原理来实现空间定位的功能。由于无线和串口通信的高速率性，温度数据从ZED传输至ZC再被上位机程序所提取的整个过程时间延迟非常短，因此可将上位机提取到温度数据的那一刻作为事件发生的时间(即ZED检测到现场温度数据的时刻)。
1．2 温度监控的设计
    温度监控应用了组网技术中的Star网络拓扑结构，使多个ZED节点和单个ZC进行双向ZigBee无线通信，保证了数据信息的实时传输与获取。其设计方案如图2所示。

    系统分别将6个ZED放置在不同的生产车间里或设备上，使ZED周期性地检测现场环境温度，并通过ZigBee方式将温度数据信息传输至ZC；由上位机监控软件提取ZC接收到的温度信息，进行处理后实时地显示在监控界面上，并且通过监控软件自主设定安全温度范围等系统参数，并传输给ZC和ZED，从而达到监控的目的。

2 系统硬件设计
2．1 应用芯片简介
    Freescale公司推出的MCl3213是一款可以搭建符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz低功耗收发器平台的集成MCU。它通过内部SPI连接RF和HCS08，具有低功耗、高集成度等优点，同时拥有丰富的外部接口资源。
    LM75A是具有高速I2C总线接口的集成数字温度传感器，内部Temp寄存器存放一个11位二进制数的补码，用来在-55～+125℃的温度范围内实现0．125℃的精度。
    FT232BL是一款USB接口转换芯片，实现USB到串行UART接口的转换，有多种电路设计方式，配合使用EEPROM可存储USB VID、PID等产品描述信息。
    LCDl602是一款内嵌驱动及字符的液晶显示模块。由于MCl3213的I／O数目的限制，其采用4线数据的连接方式，将8位数据分两次各4位地间接传送。
    SP3220E为TTL转RS-232的电平转换芯片。
2．2 硬件电路设计
    图3为硬件电路的逻辑结构图。

    针对系统的低功耗及低成本，根据所要实现的功能在图3的基础上进行筛选。ZED、ZR、ZC分别采用不同的设计电路，其筛选组合的方式如表1所列。

3 系统软件设计
3．1 软件设计思想
    为了实现温度监控与空间定位的功能，系统网络中的各类设备须相互通信、协调合作。软件设计思想如图4所示。ZED利用携带的LM75A周期性地检测生产现场的温度，然后在LCDl602上实时显示温度信息以供现场操作，并向ZR和ZC发送温度数据；ZR主要是度量接收ZED数据的RSSI／LQI值，并发送给ZC以达到对ZED空间定位的目的；ZC接收来自ZED及ZR的数据，通过USB／RS-232接口与上位机VB程序及Internet，网络通信，利用上位机监控软件或远程网络，集中在线对整个ZigBee网络的协调和ZED生产现场进行安全温度的监控。

3．2 温度检测程序的设计
    LM75A内部A／D每隔100 ms执行一次温度一数字的转换，并将转换得到的11位二进制数的补码数据存放进Temp寄存器中，从而实现0．125 ℃的温度精度。系统需要注意读取LM75A温度数据的频率，并且应将读取Temp中的数据转换成实际真实的温度值。
    若Temp数据的MSB位D10=O，则温度是一个正数：
    温度=(Temp中的数据)×O．125℃ (1)
    若Temp数据的MSB位D10=1，则温度是一个负数：
    温度=(Temp中的数据二进制补码)×O．125℃ (2)
    为了兼顾现场显示与远程监控，ZED依据式(1)、(2)利用C语言的移位等命令获得实际温度值，并在LCDl602上实时显示(当现场温度超过设定的安全范围时，蜂鸣器报警)，而直接读取Temp的两个字节发送至ZigBee网络中。
3．3 空间定位的实际数学模型
    为了获得LQI值与距离d之间的数学关系，系统需要对不同的d测量大量接收数据的LQI值。以一片开阔的篮球场作为实验基地，利用卷尺等工具在0～64 m范围内测量LQI值。在相同的d距离下连续测量不同方向的60组数据，并将10个最值滤波舍去，求平均值作为该距离d的LQI。然后，利用Matlab软件对各距离下的LQI-d数值进行一个分段对数函数的曲线拟合，求得实际数学模型。拟合曲线如图5所示。

    由于实测LQI值易受干扰，波动性较大不稳定，因此对ZED空间定位时在一个周期内连续测量24组数据，然后滤去4个最值求取平均值作为定位的LQI。为了提高系统的速度和稳定性，定位应用程序根据式(3)在上位机中采用VB语言进行编写，从而减轻了ZigBee网络的数据处理负担。
3．4 应用程序的设计
    无线传感器网络一般需要解决数据碰撞及网络地址分配等问题，这样才能使整个ZigBee网络稳定工作，数据信息准确传输。特别是以ZC为终点的无线通信，很可能因在同一时间内接收多个ZR或ZED的数据而造成数据丢帧。为了使数据信息准确无丢失地在ZC、ZR和ZED之间相互传输，系统采用了“时间片轮转法”使各ZigBee设备分时发送数据。整个网络中共有11个ZigBee设备，其中ZC除了短暂的发送监控命令外，大部分时间是接收4个ZR转发的LQI值和来自6个ZED的温度采集数据。系统设定1 s为整个网络的工作周期，期间ZC需接收来自ZR和ZED共10个设备的数据来实现温度监控与空间定位的功能。因此，每个ZR或ZED各有100 ms的发送时间，均须在预定的100 ms内完成数据成功发送任务。
    网络地址的分配一般以通信便捷和节省字节开销为佳。在温度监控的Star网络中，ZC须同时能够与6个ZED的任意一个或多个进行双向通信；而在空间定位的Mesh网络中，ZC采取主动的广播通信方式向各ZR发送提取LQI命令，随后4个ZR轮流在各自的100 ms内完成发送LQI的工作。针对这种情况，系统采用了以1个char(8位)类型的字节来制定网络中各设备的地址：由于各ZED需可同时工作，故用Bit0～Bit5分别对应ZEDl～ZED6；而4个ZR是轮流在各自100 ms内工作，所以采取Bit6、Bit7两位的组合0O、01、10及11来对应ZRl～ZR4。
3．5 上位机VB程序的设计
    系统利用MCl3213的两组SCI接口分别设计了经SP3220E转换的RS-232真实串口和经FT232BL转换的虚拟串口(此时已不是真实意义上的USB接口了)，所以两者都需以RS-232串口通信协议与PC上位机程序进行双向通信。具体实现功能如下：
    ①时间同步功能。使用Timer控件来给系统运行提供时间刻度，以便记录事件发生的实时时间。在监控软件上，既可选择PC机的时间，也可自主设定起始运行时间。
    ②空间定位功能。主要是基于定位公式编写程序，使各ZED的空间坐标能够实时地在上位机监控界面上显示。
    ③温度监控功能。实现ZED的温度信息传送至ZC，被上位机提取与运算并在监控界面上显示；同时，通过监控软件配置各类控制参数，并反向发送给ZED。
    ④事件发生的信息记录功能。为了保存温度事件发生的现场信息，监控软件利用了CommonDiatog控件将相关信息写入一个txt文件中，并能自主选择tXt保存的目录。

4 实验数据分析及总结
    为了验证性能及参数指标，选择了一栋58 m×26 m×23．5 m的生产厂房作为实验基地，将4个ZR分别放置在A(55，O，O)、B(0，25，O)、C(O，O，20)及D(O，0，O)从而建立空间坐标系，而将6个ZED移动地分别放在各个车间里进行测试采集数据。
4．1 温度监测
    为了验证温度监控的准确性及有效精度，在相应车间内放置了一个精度为O．1℃的工业温度计，测量到的实际温度来作为ZED测温的参考。测量温度和实际温度的比较如表2所列。
    由表2可知：温度监控系统误差小、精度高，最大绝对误差为+O．175℃，最大相对误差为O．738％，符合现场安全温度监控的要求。

    表2的温度绝对误差都是正数，说明测量温度均偏高。其主要原因是，LM75A是焊接在PCB板上的，芯片要正常工作就需消耗电能，内部产生的热量难以散失；同时，板上元器件布局不合理，使得其他器件产生的热量也传向LM75A，所以实测温度比现场室温偏高。
4．2 空间定位
    在监控软件上获得的各ZED坐标位置数据的同时，利用皮尺等工具测量对应的坐标长度作为空问定位的对比。空间定位与实际位置的关系如图6所示。

    可见，空间定位的误差较小，最大的定位误差为ZED3的1．1045m，在工程的允许范围内，达到了系统对温度事件的定位目标。利用LQI进行空间定位，从本质上讲是基于能量法的。图5的LQI-d曲线数据是在户外理想状态下测得的，而生产现场环境恶劣，无线通信常受到障碍物影响，因此难免有所误差。另外，由于RF收发天线不是严格意义上的全向，因此在相同距离而位于不同方向时所接收的LQI值也有所差别。

结语
    本文设计了基于ZigBee的生产现场安全温度在线监控系统，提出了三要素(温度监测、时间记录及空间定位)全方位设计理念，介绍了系统的硬件、软件及上位机监控程序的设计方法。测试表明，该监控系统具有精度高、功能完善、运行稳定及性价比高等优点，有一定的实用价值。若将本系统的RS-232／USB进一步扩展到GPRS或Internet，并与生产现场总控制室相连，则系统的功能和使用范围都将得到很大的拓宽。