張修建 趙 茜 梁振虎 王君本

(1.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島，066004;2.西北工業(yè)大學電子信息學院，陜西西安，710129)

基于ZigBee的造紙廢水遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張修建1趙 茜1梁振虎1王君本2

(1.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島，066004;2.西北工業(yè)大學電子信息學院，陜西西安，710129)

針對造紙工業(yè)廢水處理過程的遠程監(jiān)控問題，提出了一種基于ZigBee的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。在給出系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和節(jié)點軟硬件設(shè)計過程的基礎(chǔ)上，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Web應用技術(shù)等設(shè)計了系統(tǒng)各功能模塊，實現(xiàn)了造紙廢水處理遠程監(jiān)控功能。用戶使用瀏覽器便可對造紙廢水廠的流程畫面與實時數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)控與在線分析。

遠程監(jiān)控;數(shù)據(jù)傳輸;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);造紙污水處理;ZigBee

遠程監(jiān)控是指通過計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對遠程工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制?，F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)大多采用有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，但存在復雜度高、擴展性較差、維護困難、無法遠程訪問等問題。在造紙廠廢水處理工藝中，現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境比較惡劣、布線比較困難，如果采用有線通信方式往往投入很大［1-3］。為解決這些問題，在工業(yè)污水監(jiān)控系統(tǒng)中引入ZigBee無線通信技術(shù)，用以解決因現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點所處環(huán)境惡劣、偏僻分散、監(jiān)測點較多、鋪設(shè)固定通信線路成本過高等問題。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率和低成本的無線通信技術(shù)，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用于造紙廢水各項指標的測量及控制，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、組網(wǎng)靈活、延展性強及系統(tǒng)維護簡單等優(yōu)點［4-5］。運用ZigBee技術(shù)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控管理的信息化、自動化，改善工人的工作條件以及加強現(xiàn)場事故的應急處理能力具有非常重要的意義。

本課題利用Internet和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了對造紙工業(yè)廢水處理的監(jiān)視和遠程控制，實現(xiàn)資源共享，以達到管理、控制和監(jiān)控的目的。面向基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用，提出了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案及其功能實現(xiàn)，討論了系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)的可行性并給出系統(tǒng)主要界面。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為了達到對造紙工業(yè)廢水處理現(xiàn)場進行遠程監(jiān)控與管理的目的，系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)采集、遠程傳輸、分析處理、存儲管理、遠程監(jiān)控等功能。為滿足系統(tǒng)的功能要求，將系統(tǒng)設(shè)計成如圖1所示的結(jié)構(gòu)［6］。該系統(tǒng)分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng) (現(xiàn)場監(jiān)控端)、數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng) (監(jiān)控中心)和客戶端數(shù)據(jù)管理與監(jiān)控子系統(tǒng) (遠程監(jiān)控端)3個子系統(tǒng)。

圖1 基于ZigBee的遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)，由終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和執(zhí)行控制設(shè)備等組成。傳感器節(jié)點用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并采用自組多跳路由無線方式把監(jiān)測數(shù)據(jù)定時發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，再由協(xié)調(diào)器節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸至監(jiān)控中心通信控制計算機。另外，執(zhí)行控制設(shè)備接受監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)來的控制命令，對命令進行解析、驗證，然后采取相應的動作。

數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng)，主要有通信控制計算機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web服務(wù)器組成，通信控制計算機通過串口與底層設(shè)備實時數(shù)據(jù)通信，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析和處理的控制，將現(xiàn)場參數(shù)和設(shè)備狀況寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲取遠程操作控制命令。Web服務(wù)器完成通過服務(wù)器擴展技術(shù)如CGI、ASP、JSP等與客戶端的動態(tài)交互;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器配合用戶賬號的管理、各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)及控制參數(shù)的存儲和管理，以備Web服務(wù)器訪問。

客戶端數(shù)據(jù)管理與監(jiān)控子系統(tǒng)，是用戶通過瀏覽器直接與其交互的界面，從監(jiān)控中心獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)或向其發(fā)送控制命令。該系統(tǒng)采用ASP.NET動態(tài)網(wǎng)頁進行技術(shù)開發(fā)。因采用B/S模式設(shè)計，用戶端只需使用標準的Internet瀏覽器即可訪問服務(wù)器資源，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護［7］。用戶只要通過瀏覽器就能監(jiān)測到終端節(jié)點實時采集的各類數(shù)據(jù)，將歷史數(shù)據(jù)以列表和曲線的形式顯示出來，還可以分析并顯示出ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，由不同的傳感器節(jié)點組成的基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應用到造紙廢水遠程監(jiān)控系統(tǒng)中。這些節(jié)點分布隨機部署在廢水處理池的感知區(qū)域內(nèi)，用來監(jiān)測每個處理池中各處的廢水處理狀況，將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳路由匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時協(xié)調(diào)器節(jié)點也可以將信息發(fā)送給各節(jié)點。協(xié)調(diào)器收到無線節(jié)點數(shù)據(jù)幀后，進行數(shù)據(jù)匯集，然后通過RS-232串口與通信控制計算機相連接，供串口通訊程序讀取，實時傳輸工業(yè)現(xiàn)場內(nèi)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通信控制計算機接下來將數(shù)據(jù)進行分析、計算，處理后的數(shù)據(jù)再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器上，寫入自定義的數(shù)據(jù)庫。當監(jiān)控中心接入Internet時，管理者和技術(shù)研究人員就可以在任何時候、任何地點監(jiān)測到所采集的信息，對造紙廢水處理狀況進行實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 無線傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

造紙工業(yè)廢水處理現(xiàn)場監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的廢水處理環(huán)境中?；赯igBee的傳感器節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4部分組成，能完成數(shù)據(jù)采集、信號檢測和傳遞信息的任務(wù)［8］。為便捷地實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，選用JN5139無線模板作為系統(tǒng)核心芯片。JN5139芯片是一種低功耗、低成本的無線微控制器，適用于IEEE802.15.4和ZigBee的軟件應用。芯片集成了一個32-bit RISC處理器，可充分兼容2.4 GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，提供了192KBROM，96KBRAM以及4路12位ADC和2路11位DAC，另外還提供了豐富的模擬量和數(shù)字外圍設(shè)備接口。因此，JN5139僅需添加少量的外圍元件就可以完成ZigBee通信功能的硬件實現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)采用樹狀網(wǎng)。其中終端節(jié)點由簡化功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)擔任，主要完成對工業(yè)廢水各參數(shù)的采集處理，可以與路由節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信。路由節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點由全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)擔任，用來接收終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，可與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備進行通信。其中路由節(jié)點負責傳送或轉(zhuǎn)發(fā)連接在其上的ZigBee終端設(shè)備數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，之后，它與其他路由節(jié)點一樣，負責路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且維持ZigBee網(wǎng)絡(luò)。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個FFD實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD，使用RFD用來降低能耗［9］。除了協(xié)調(diào)器具有 RS232通信接口外，RFD和FFD的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，主要區(qū)別放在軟件方面。

工業(yè)現(xiàn)場在線監(jiān)測儀表包括電磁流量計、工業(yè)酸度計、在線pH值測量儀、COD傳感器等。終端節(jié)點通過JN5139內(nèi)部12位AD獲取傳感器采集數(shù)據(jù)，其模擬通道根據(jù)實際應用可以連接不同類型的傳感器，在每路數(shù)據(jù)前加參數(shù)類型標示，因此多路數(shù)據(jù)組幀時無需按順序放置，數(shù)據(jù)解析時依然可以正確獲取數(shù)據(jù)的物理意義。某一設(shè)備出現(xiàn)故障不會影響其他設(shè)備的正常工作，同時網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸采用了碰撞避免機制和完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，而且網(wǎng)絡(luò)層和MAC層都有安全策略［10］，各個應用可以靈活確定其安全屬性，所以整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性都比較高。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)管理軟件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)管理軟件主要分2個部分:終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳送模塊;協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊。協(xié)調(diào)器發(fā)布廣播，要求終端節(jié)點上傳各自的信息數(shù)據(jù)，終端節(jié)點在收到協(xié)調(diào)器下發(fā)的命令后，將傳感器采集到的電壓值以數(shù)據(jù)包的形式通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。如果要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓撲和路由結(jié)構(gòu)，可以在節(jié)點ID后添加節(jié)點自身網(wǎng)絡(luò)地址、父節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址以及相應的路由信息來實現(xiàn)［11］。

圖2 數(shù)據(jù)幀格式

本系統(tǒng)設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點ID采用統(tǒng)一的編碼方式，“節(jié)點信息”字段數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，其中低四位為RFD節(jié)點號，高四位為FFD節(jié)點號。根據(jù)高四位將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到相應的FFD，F(xiàn)FD再通過低四位編碼將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到對應的RFD，即對應的現(xiàn)場采集點。每個無線節(jié)點將采集到的電壓值數(shù)字化，放在開辟的2 byte空間的低12位，高四位用于標示方向位及物理量的類型，如:溫度為0000(上行)，流量為0001(上行)，這樣在數(shù)據(jù)解析時可以有效區(qū)分數(shù)據(jù)的物理意義。

為了保證網(wǎng)絡(luò)的成功搭建，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用唯一的網(wǎng)絡(luò)PAN ID，每個節(jié)點包含一個唯一的MAC地址。終端節(jié)點上電后首先進行信道掃描，信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器信道相同，并提供正確的認證信息，然后與協(xié)調(diào)器建立連接。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，從其協(xié)調(diào)器得到一個網(wǎng)絡(luò)地址作為網(wǎng)絡(luò)中唯一的身份標識。實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛄鞒倘鐖D3所示。

圖3 ZigBee終端節(jié)點程序設(shè)計流程圖

協(xié)調(diào)器上電后首先初始化協(xié)議棧，然后進行能量檢測，選擇合適的信道，啟動并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此后，即可允許路由節(jié)點或終端節(jié)點與其連接，接收來自各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS-232通信接口發(fā)送到到監(jiān)控中心通信控制計算機，程序流程圖如圖4所示。

在服務(wù)器端運行的通信控制計算機軟件采用VC++開發(fā)工具設(shè)計，串行通信采用MSComm控件完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。傳感器節(jié)點定時發(fā)送數(shù)據(jù)給自己的路由節(jié)點，只有進行數(shù)據(jù)采集及控制時，才處于工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)發(fā)送完后便進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省功耗，延長使用壽命。

2.3 數(shù)據(jù)管理平臺設(shè)計

基于B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)據(jù)管理平臺，結(jié)合了ASP.NET在Web應用上的優(yōu)勢，允許用戶在客戶端瀏覽器上實時監(jiān)控來自ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了遠程終端瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的功能。

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計流程圖

在本系統(tǒng)中，監(jiān)控中心通信控制計算機采用VC++實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)訪問與讀取機制，把從工業(yè)現(xiàn)場采集的各節(jié)點數(shù)據(jù)處理后將其發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，也可以把遠程監(jiān)控端發(fā)出的控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端，根據(jù)工藝要求控制加藥泵的啟停等實現(xiàn)遠程控制。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實現(xiàn)對各監(jiān)測點廢水數(shù)據(jù)的存儲和管理，它存儲報警數(shù)據(jù)、采集的廢水參數(shù)、控制命令及設(shè)備的工作狀態(tài)等。數(shù)據(jù)庫使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000。在軟件上，對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)庫管理采用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式。

運用基于C#的ASP.NET技術(shù)，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用這些參數(shù)放到Web頁面上，提供給登錄的用戶實時監(jiān)控。另外，WEB應用程序服務(wù)器采用IIS5.0，并采用ADO.NET來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。Web服務(wù)器通過響應遠程客戶的HTTP請求，從Web數(shù)據(jù)庫中獲取工業(yè)現(xiàn)場的實時信息，生成HTML網(wǎng)頁發(fā)布到客戶端瀏覽器，并將客戶提交的控制命令存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。ADO.NET是.NET框架下的新的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，利用ADO.NET可以方便高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與Web應用程序服務(wù)器分離，有利于數(shù)據(jù)的安全及Web應用程序服務(wù)器的升級和維護［3，12］。

3 系統(tǒng)監(jiān)控效果與分析

系統(tǒng)首先在實驗室內(nèi)進行軟硬件開發(fā)，組裝并調(diào)試成功，此后又將系統(tǒng)安裝到造紙廠廢水處理，實際現(xiàn)場進行測試和應用。該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場測試及運行后，達到了預期的設(shè)計目標和控制效果，傳輸數(shù)據(jù)可靠，對于大量數(shù)據(jù)的存儲、報表分析處理和實時讀取效果理想，尤其是在簡化設(shè)備安裝布線、提高系統(tǒng)移動性和數(shù)據(jù)管理等方面效果十分顯著。對于無線通信系統(tǒng)來說，外部干擾是不可避免的，所以系統(tǒng)安裝時要盡量減少或排除干擾因素的影響。

授權(quán)用戶登錄系統(tǒng)后，利用瀏覽器可以在線監(jiān)測到不同區(qū)域現(xiàn)場各設(shè)備的實時運行情況、ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)狀態(tài)、系統(tǒng)流程監(jiān)視、報表統(tǒng)計分析、趨勢曲線分析、遠程故障診斷等信息，還可以根據(jù)當時需求，遠程實時調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的控制參數(shù)達到生產(chǎn)要求。系統(tǒng)運用Ajax技術(shù)進行異步通信獲取實時數(shù)據(jù)，然后利用得到的數(shù)據(jù)，通過JavaScript來構(gòu)造VML圖形對象形成實時監(jiān)測曲線，該監(jiān)控系統(tǒng)的流量動態(tài)繪制曲線的界面如圖5所示，當鼠標移動到曲線某點處時，會顯示出對應的坐標值及設(shè)備運行狀況。該監(jiān)控系統(tǒng)在線查詢歷史數(shù)據(jù)報表的實際運行界面如圖6所示。

4 結(jié)論

基于ZigBee的造紙廢水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式特點，有效地解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)遇到的拓撲結(jié)構(gòu)固定、布線繁瑣等問題，同時與Internet的結(jié)合，又為實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、遠程監(jiān)控提供了非常便捷的途徑。該監(jiān)控系統(tǒng)具有友好的操作界面，可以不受地理位置的限制，便于環(huán)保局環(huán)境監(jiān)控中心的審核及相關(guān)管理;技術(shù)人員不必親臨生產(chǎn)現(xiàn)場就可以獲取重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)，進行遠程設(shè)備控制和故障診斷;管理維護人員可以根據(jù)遠端現(xiàn)場生產(chǎn)狀況及時進行分析、制定規(guī)劃等，從而更好地實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的信息共享和及時決策。系統(tǒng)操作簡單、節(jié)點部署簡單靈活、工作穩(wěn)定、共享度高，很好地實現(xiàn)了對造紙廢水處理的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)具有良好的遠程可操作性，它在石化、電力、工業(yè)污水處理等行業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控自動化中也具有廣泛的應用前景。

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Design and Implementation of ZigBee Based Remote Monitoring System for Paper Wastewater

ZHANG Xiu-jian1，*ZHAO Xi1LIANG Zhen-hu1WANG Jun-ben2
(1．Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei Province，066004;2．Institute of Electronic Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an，Shanxi Province，710129)
(*E-mail zxjwell@163．com)

A ZigBee based remote monitoring system design method is proposed for remote monitoring paper mill wastewater treatment in this paper．Based on the proposed system framework and designing process for the hardware and software of the nodes，we design the system’s function modules by using wireless sensor network and WEB application technology，and realize the remote monitoring and control functions for paper wastewater treatment．The process pictures and data in paper wastewater plant can be monitored remotely and analyzed by the browser．

remote monitoring;data transmission;wireless sensor networks;chemical industrial wastewater treatment;ZigBee

X793;TS736+.4

B

0254-508X(2011)07-0040-05

張修建先生，碩士;研究方向:造紙工業(yè)污水處理技術(shù)、遠程監(jiān)控等。

2011-03-01(修改稿)

國家自然科學基金 (60934003)。

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