基于ZigBee的現場(chǎng)安全溫度在線(xiàn)監控系統

摘要：研制了一套基于ZigBee技術(shù)的安全溫度在線(xiàn)監控系統。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(luò )，在上位機監控軟件上實(shí)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(guān)鍵詞：ZigB3ee；溫度監控；空間定位

在工業(yè)生產(chǎn)及貨物存儲等車(chē)間現場(chǎng)，由于溫度過(guò)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(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。傳統的有線(xiàn)傳輸不僅因鋪線(xiàn)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)現場(chǎng)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(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)，由于低功耗、低成本、短延時(shí)、大容量和高可靠等優(yōu)點(diǎn)，在監測與控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本系統應用了ZigBee的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現對生產(chǎn)現場(chǎng)溫度的監測，利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)來(lái)獲取溫度事件的時(shí)間與地點(diǎn)信息，這樣可充分地保證現場(chǎng)的安全生產(chǎn)。

1 系統設計方案
1．1 總體設計思想
為了實(shí)現溫度監測、時(shí)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(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )包含3種設備：ZigBee協(xié)調器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Rotlter，ZR)和ZigBee終端設備(ZigBee EndDevice，ZED)。同時(shí)，應用了兩種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：Star(星型)網(wǎng)絡(luò )和Mesh(網(wǎng)狀)網(wǎng)絡(luò )。

圖1中，位于網(wǎng)絡(luò )外圍的4個(gè)ZR是作為空間定位的參考節點(diǎn)，主要起中繼器的作用，轉發(fā)來(lái)自ZED的RSSI／LQI數據至ZC以實(shí)現空間定位；分布在生產(chǎn)環(huán)境終端的6個(gè)攜帶溫度傳感器的ZED，主要實(shí)現周期性地檢測現場(chǎng)溫度的功能，并將溫度數據信息分別用LCD實(shí)時(shí)顯示和以無(wú)線(xiàn)方式傳輸出去；處在網(wǎng)絡(luò )中心的ZC是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)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(gè)ZR的RSSI／LQI數據計算出ZED的空間位置信息。
由ZC和6個(gè)ZED組成的Star網(wǎng)絡(luò )(如圖1中帶雙箭頭的實(shí)線(xiàn)所示)，主要將ZED采集的溫度數據無(wú)線(xiàn)傳輸到ZC，從而實(shí)現溫度監測的功能；而由ZC、ZR和ZED共同組成的。Mesh網(wǎng)絡(luò )(如圖1中的虛線(xiàn)和點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)所示)，主要是獲取并傳輸有關(guān)ZED與ZR距離的RSSI／LQI數據，從而運用基于RSSI／LQI的定位原理來(lái)實(shí)現空間定位的功能。由于無(wú)線(xiàn)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(gè)過(guò)程時(shí)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(fā)生的時(shí)間(即ZED檢測到現場(chǎng)溫度數據的時(shí)刻)。
1．2 溫度監控的設計
溫度監控應用了組網(wǎng)技術(shù)中的Star網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，使多個(gè)ZED節點(diǎn)和單個(gè)ZC進(jìn)行雙向ZigBee無(wú)線(xiàn)通信，保證了數據信息的實(shí)時(shí)傳輸與獲取。其設計方案如圖2所示。

系統分別將6個(gè)ZED放置在不同的生產(chǎn)車(chē)間里或設備上，使ZED周期性地檢測現場(chǎng)環(huán)境溫度，并通過(guò)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(jìn)行處理后實(shí)時(shí)地顯示在監控界面上，并且通過(guò)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。