ZigBee无线数据通信控制软件的开发

摘 要

　　论文结合气体集中采集监测系统在生产制造企业的需求背景，分析了国内外的研 究现状。采用系统化的设计思想，集中管理、分散布置的模式，分层与分布的系统结 构。按现场采集层，通信管理层和监控管理层三部分，设计了主从式的演示系统。现 场拟采集的气体数据，分布于气体车间各站房配电柜中，生产装置中的测量仪表、控 制器、传感器以及其它智能装置共同实现气体集中采集监测的全过程。在系统硬件部 分，通过选择传感器单元、ZigBee 模块和 AVR 单片机，设计了下位机系统，编制了 ZigBee 无线数据通信等控制软件。在上位机部分，系统采用 B/S 架构，运用 C 语言平 台进行后台开发，前端人机借口采用 HTML,Script 等技术实现。最后给出了软件架构、 控制软件流程、用户接口界面等，展示了一套模拟系统。所完成工作拟在实际厂区进 行测试和评估，最终要要实现企业能源的信息化管理。

　　关键词：ZigBee,气体监测， 传感器，数据采集，气体监测

ABSTRACT

　　The thesis combines the background of gas concentration collection and monitoring system in the manufacturing industry, and analyzes the research status at home and abroad. Under systematic design ideas, centralized management, decentralized layout, hierarchical and distributed system structure. According to the on-site acquisition layer, communication management layer and monitoring management layer, a master-slave demonstration system was designed. The gas data to be collected on site was distributed in the power distribution cabinets of each station in the gas workshop. The measuring instruments, controllers, sensors and other intelligent devices in the production device jointly realized the whole process of centralized gas collection and monitoring. In the hardware part of the system, by selecting the sensor unit, ZigBee module and AVR microcontroller, the lower computer system was designed, and the control software such as ZigBee wireless data communication was compiled. In the upper computer part, the system adopts the B/S architecture, used the C language platform for background development, and the front-end human-machine excuses adopt HTML, Script and other technologies. Finally, the software architecture, control software flow, user interface, etc. were given, and a set of simulation system was presented. The completed work is planned to be tested and evaluated in the actual plant area, and ultimately the information management of the enterprise's energy needs to be realized.

　　Keywords: ZigBee; gas monitoring; sensors; data acquisition; gas monitoring

目录

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 研究背景与意义

　　传统模式下的工业企业生产，在企业生产排放气体的集中采集与能耗监测方面存 在大量的问题。现场数据整理工作繁琐，占用大量的工作时间，容易产生误差；无法 自动获取主要能耗数据；无法实时跟踪能源供应、分配和消耗情况；无法分析各种设 备能耗水准，对隐含的情况不清楚；无法实现厂区能源消耗的数据共享。手操记录文 件无法进行实时存储，对历史文件无法及时调用；无法实现能源的分析和评估以致无 法做出正确生产决策，导致企业节能任务无法下达；数据支持的不精准性，使得节能 任务成为盲点。基于以上的企业生产现实中所面临的问题，本文针对气体的集中采集、 监测系统进行了研究。 论文研究的是气体集中采集监测系统，该系统主要应用于动力厂调度中心。第一 空压站建立气体集中采集监测系统及视频管理系统，采集第一空压站、第二空压站、 氧气站、铸钢氧气站以及焊割气站的电能、用水量、气体流量、压力、温度、液位等 相关数据。在第一空压站及动力厂调度中心建立本地显示系统及安装视频监测设备， 保证系统安全稳定可靠运行；实现对气体供应、用水、用电消耗等相关能源数据的自 动监测，完成对各种能源系统优化调度和管理；实现可视化管理；实现单产能耗的可 视化管理，帮助管理人员方便快捷的处理能源数据。

　　系统采用了新型的 ZigBee 无线数据通信技术，该通讯具有传输范围大、可靠性 高、操作性好、成本低廉等特点。其在 2.4GHz 频段时，可达到 250Kbps 的数据最大 传输速率。而在传输速率在 28Kbps 时，它的点对点传输范围可以达到 134 米。该技 术能够较好的适应工业生产环境，使企业便于能量管理，提高能源统计数据的精度与 速率；实现对能耗指标的评估和能源消耗结构分析及能源消耗成本分摊；视频监控系 统数据可以让值班员直观地掌握现场情况，并能够通过录像回放进行分析。 近年来，中国的经济正处于高速发展的时期。城市化现象显著，城市人口数量的 不断增长，带动了各行各业的经济发展。能源、服务、制造、餐饮等行业迅猛发展的 同事，能源紧张、环境恶化等问题日渐凸显。传统的能源管控方式已适应不了当今社 会的发展，能源可持续性发展现已成为我们急需思考的重要课题。作为大型装配制造 行业[1],日均耗能量巨大。能够合理的进行能源管控，提高能源使用效率，优化能源 分配方式是企业能否长期生存下去的关键因素。帮助企业进行现代化能源管控[2],不 但对整个企业的发展也对国家经济、环保及发展等方面有着极为重要的意义[3].

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 国外现状分析

　　能源信息管理系统作为现代化企业的重要管理方式，早在发达国家已经得到了广 泛的应用。美国作为能源使用大国，率先开启了节能探索之路。RTI 集团作为世界著 名的钢铁制造商[4],在节能方面不断探索，结合实际生产与能源消耗的情况，开发出 一套能源信息系统。该系统的投用，极大提高了企业的能源利用率，降低生产成本， 提升利润的同时也提高了企业的竞争力。能源管理技术水平日益提高[5],企业应用效 果显著，目标划定为将能源管理推向更加智能化的方向发展。 日本作为一个典型的能源紧缺国家，对于能源管理有着悠久的历史及先进的理 念。世界首个能源管理系统就由其最大的钢铁公司--日新铁创建。能源管理系统不 但帮助了该公司成长为世界上著名的钢铁公司，其作为先驱也为世界企业能源管理奠 定了重要基础，而在上世纪九十年代引入能源信息管理系统的鹿岛钢铁[6],再次将能 源管理进行了创新，开启了能源信息化管理的时代。

　　在生产制造行业，生产现场的能源采集工作直接影响到企业能源管理的效率。在 这方面，ESC 公司生产的气体监测器，具有良好的实用性与强大的功能。对于厂房内 部的空气质量能做到实时监测。也可根据生产需要，对相应气体的浓度数据进行采集 计算。该类检测器能够很好的适应工业化生产的环境及功能需求，在保证能源数据采 集准确的情况下，提升人员生产的安全指数。极佳的稳定性，体积小、质量轻、良好 的便携性，简易的操作方式及拥有互联网实时监控能力[7],都使其具有强大的市场竞 争力。生产制造行业的工厂内往往涉及到的环境复杂，需采集及监控的数据多种多样。 如气体方面，对室内空气质量的检测及对有害气体的监测都十分重要。著名的测量仪 制造公司 TSI,拥有世界领先的测量仪器制造水平。该公司为世界各地的科研机构提 供服务，对于物质成分分析、室内环境监测、能源耗量计算等方面都有着权威的地位。 该公司生产的明星产品--7565 型综合监测仪[8],在一氧化碳、二氧化碳等气体的实 时监测及参数计算方面有着优秀的表现。TSI 公司作为业内龙头在世界范围内享有盛 誉。由上述分析可见，国外的发达国家在能源消耗与气体排放研究与监控方面已经走 过了很长的一段路，取得很显著的成果，具有丰富的管理与应用的经验，这些技术的 应用也为发达国家带来了巨大的经济效益与社会效益，成功的经验也值得我们引进学 习并消化吸收，并为我国所用。

　　1.2.2 国内现状分析

　　能源信息管理系统在我国现处于起步阶段，近年来已得到国家各大行业的重视。 企业的能源就如同沙漠中行人手中的水，怎样使用，决定其能前行多远。企业要想长 远发展，能源管理则是其命脉，直接影响着企业的生命周期。作为国内能管系统的先 驱带头者[9],上海宝钢做出了不断的努力和创新。从先期的对外引进，到结合自身特 点不断技术革新，如今已发展到对能源信息系统的开发与使用阶段。 但由于起步较晚，技术水平有限，国内的能源管理系统仍受到技术水平、研发成 本、能源意识等多方面因素的制约。北京华云仪器研究所作为国内领先的单位，优先 开始了能源管理方面的仪器研究[10],该所在检测仪器的开发方面有着领先的水平，其 研发的仪器有着精度高、适应性强、可靠性好等特点。但复杂的操作方式使其难以在 大众行业得到良好的普及。 但随着时间的推移及科技的发展，国内能源管理技术也在逐步提高。近年来，随 着大众对家装、空气质量、生产作业等方面环保的意识不断提高，室内甲醛、一氧化 碳等有害气体的检测装置，PM2.5 浓度监测装置等相关产品被大量需求。对其精度、 适用性及可操作性的要求也不断提升。双重网络无线传感技术得到了开发应用[11],利 用该技术设计的能源管理系统，有着耗电量低、通用性好等优点。

　　而国家对企业的环保标准不断提升，检测体系不断完善，对有害物质排放监测的 准确性和实时性也成为了如今能源管理的重要课题。由此擎天科技公司根据环保要 求，设计并开发了城市碳排放监测监管系统软件[12].该软件实现了能源监测与信息系 统相结合，并可根据城市的不同要求，加入公共交通、生产生活等方面碳排放指标的 监测。目前国内在制造行业环保监测、能耗管理控制方面，利用信息化技术以及科学的 管理手段已经取得了一定成果，这些理论成果还需要不断的积累、完善，并逐步将最 成熟的信息化管理技术应用到实际的工业生产过程中去。

　　1.3 文章主要结构及内容

　　第一章，绪论。主要介绍了论文的背景及意义，分析了能源消耗管理与气体采集 监测系统的国内外研究现状。

　　第二章，能源监测技术及系统需求分析。主要介绍了能耗监测技术，传感器技术， ZigBee 技术，C 语言技术，SSH 技术等；这些技术是整个论文设计与阐述的基础。

　　第三章，系统要求及总体设计。主要针对系统的设计目标，系统的功能需求，及 系统的实现进行了分析，为论文的后续展开起到了承上启下的作用。

　　第四章，针对下位机设计需求，给出了系统硬件部分的原理设计，传感器电路、 微处理器电路和无线通信模块的硬件部分设计，以及相关的算法设计。

　　第五章，下位机软件设计。这部分内容主要包括系统软件实现的总体架构，系统 的软件实现方式，例如数据链路层、应用层、展示层；阐述了无线通信协议的软件实 现，软件系统的登录实现，监测软件的功能实现。并针对系统的实现进行了单元测试， 分析了相应的数据。 最后，对全文工作进行了总结。

　　第2章能耗监测技术及系统衢求分析
　　2.1能耗监测技术
　　2.2系统设计目标分析
　　2.3系统功能需求分析

　　第3章系统要求及总体设计
　　3.1系统实现要求
　　3.2上位机与下位机设计需求分析

　　第4章下位机件蝻构设计及模块电路选
　　4.1下位机硬件结构设计
　　4.2现场气体传感器选型
　　4.3控制微处理器选型
　　4.4 ZigBee 无线通信模块选型

　　第5章软件设计
　　5.1软件部分 总体架构
　　5.2 ZigBee 通信协议的软件实现

　　5.3软件系统登录的实现
　　5.4监测软件功能的实现
　　5.5系统模拟及测试

结 论

　　本论文基于 ZigBee 设计了气体集中采集监测系统，由上下位机共同实现。主要 工作包括硬件部分的原理结构与软件部分的程序实现，硬件部分主要设计了压缩空气 数据采集传感器的原理电路，ZigBee 无线数据通信系统的设计；软件部分设计，采用 HTML,Script 等技术，后台代码采用 MVC 模式分层编写。通过设计，系统可满足用 户生产所需。

　　论文最终设计并实现的气体集中采集监测系统主要应用是在动力厂调度中心，采 集空压站、氧气站、铸钢氧气站，以及焊割气站涉及的电能、用水量、气体流量、压 力、温度、液位及相关数据。在气体监测传感器的节点设计、监测系统软件软件平台、 系统的性能测试等方面取得了初步的成果。

　　未来的系统可实现对气体供应、用水、用电消耗等相关能源数据的自动监测，完 成对各种能源系统优化调度和管理；实现单产能耗的可视化管理，帮助管理人员方便、 快捷地处理能源数据。实现能量曲线和电流电压曲线的匹配，便于能量管理；提高能 源统计数据的精度与实时性；实现对能耗指标的评估和能源消耗结构分析及能源消耗 成本分摊。整个系统在实际工作中的应用将提高企业的智能化管理水平。

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致 谢

　　这三年在职攻读研究生学位的经历对于我的整个人生都是特别且有意义的。首先 感谢我的导师宋正勋教授对我不厌其烦的指导。他对学术的严谨态度不但让我在学习 期间获得了丰富的专业知识，更让我看到了学术精神的无限魅力，懂得了我所研究的 内容对于整个专业领域就犹如沧海一粟。今后的工作中只有不断努力，不断学习，才 能够提升自己的工作能力，在自己的工作领域才能有所建树，不枉费导师对我的教诲。

　　其次，感谢学院相关老师为我们提供的各种教学平台和相关实验条件。没有您们 在幕后默默地支持和帮助，不可能有我今天的研究成果和提交的论文。能够选择在长 春理工大学电子信息工程学院学习，我感到非常的幸运与骄傲。

　　最后，感谢在我论文撰写过程中，给予我指导和帮助的同事、同学，同事感谢人 给予的理解和支持。

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