黃海龍 陳松 周兵 劉建業(yè) 朱文捷 梁青爽 馮皓華

摘 ?要：基于ZigBee和WiFi融合網絡的智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以ZigBee和WiFi融合網絡為基礎，利用ZigBee網絡聯(lián)接溫濕度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊，利用WiFi網絡聯(lián)接視頻監(jiān)控攝像機和聲光報警設備，利用WiFi和ZigBee網關實現(xiàn)互聯(lián)，服務器端的應用程序按預定邏輯實現(xiàn)監(jiān)測、分析、報警等功能，上位機顯示界面呈現(xiàn)實時數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮ZigBee無線傳感器網絡功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、組網能力強、可靠性高、安全性高優(yōu)點，以及WiFi網絡帶寬大、速度相對較快、方便接入互聯(lián)網等優(yōu)點。通過設計協(xié)同傳輸機制旨在協(xié)調網絡的可靠運行，保證終端層數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全傳輸，檢查虛警數(shù)據(jù)。

關鍵詞：ZigBee;WiFi;融合網絡;智慧工廠;環(huán)境監(jiān)測

一、概述

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，信息技術及應用方案日新月異，發(fā)展、生產制造業(yè)競爭的加劇、工業(yè)制造精度的提高，智慧工廠成為生產制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢。近些年，隨著中國物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網、云計算等技術快速發(fā)展，中國智慧工廠快速發(fā)展[1]。智慧工廠環(huán)境監(jiān)測需求一般包括溫濕度、火災煙霧、空間視頻信息?；赯igBee和WiFi融合網絡，既能解決溫濕度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊數(shù)量多、分布式布放、帶寬小、功耗低等特性要求，又能解決視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶寬大、速度快、數(shù)字化、IP化等特性要求，從而使得智慧工廠環(huán)境監(jiān)測終端多元化、信息融合化、顯示多媒體化[2]。

（一）智慧工廠現(xiàn)狀及需求分析

隨著國家經濟的發(fā)展，工業(yè)制造業(yè)隨之發(fā)展加快，從而拉動經濟增長的需求，“中國制造2025”概念的提出，為制造業(yè)指明發(fā)展方向。

由于制造業(yè)的高速發(fā)展，企業(yè)在管理方面的手段逐漸落后，很多處于傳統(tǒng)人工監(jiān)控方式的做法效率逐漸降低，這種背景下，企業(yè)急需要一套新型的智慧工廠監(jiān)控系統(tǒng)，提高廠區(qū)的現(xiàn)代化管理水平，通過無線網絡方式將廠區(qū)智能化安防系統(tǒng)納入統(tǒng)一管理，并與業(yè)務相結合，建設一套整體的智慧工廠解決方案[3]。

（二）ZigBee技術特點分析

1. ZigBee功耗低于其他無線通信技術，ZigBee開展傳輸處理過程中對應需求的功率為1MW[4]。若ZigBee進入休眠狀態(tài)模式，其功率將更低。通俗來講，通過裝置有ZigBee的設備配備兩節(jié)5號電池，該設備便可持續(xù)運行超過6個月的時間。

2. ZigBee研發(fā)及使用所需投入的成本較低，而且無須交付專利費，所以ZigBee可為廣大用戶所接受。

3. ZigBee具有較高的安全可靠性，ZigBee可實現(xiàn)十分完備的檢測功能，同時在應用ZigBee時需要進行反復的檢驗流程。如此一來，切實確保了ZigBee的安全可靠性[5]。另外，ZigBee在傳輸數(shù)據(jù)過程中可確保數(shù)據(jù)流的相對平行性，換而言之，ZigBee可為數(shù)據(jù)提供寬廣的傳輸空間。

（三）WiFi技術特點分析

1. 傳輸速度非?？欤鋫鬏斔俣瓤梢赃_到11 mbps（802.11b）或者54 mbps（802.11.a），適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務。

2. 無須布線，可以不受布線條件的限制，非常適合移動辦公用戶的需要，用戶只需要將支持無線網絡的終端設備該區(qū)域內，即可高速接入因特網[6]。

3. 健康安全，具有WiFi功能的產品發(fā)射功率不超過100毫瓦，實際發(fā)射功率60～70毫瓦，與手機、手持式對講機等通訊設備相比，WiFi產品的輻射更小。

二、系統(tǒng)功能設計

（一）人機交互功能

主要通過上位機電腦上客戶端軟件實現(xiàn)針對各類傳感器反饋信息、視頻監(jiān)控圖像等人機交互，人機交互界面依托于軟件界面的設計。電腦上客戶端軟件與服務器上的后臺端可以采用C/S或B/S模式。

（二）綜合監(jiān)測與分析功能

主要通過服務器后臺管理軟件實現(xiàn)對各類傳感器反饋信息、視頻監(jiān)控圖像的綜合監(jiān)測與分析[7]。綜合監(jiān)測與分析可以包括對歷史數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)及圖像查看、報警日志查詢、報警次數(shù)統(tǒng)計、分析圖表樣式選擇（柱狀圖、餅狀圖等）、監(jiān)測與分析結果導出等功能;歷史數(shù)據(jù)按設備、按時間周期（年月日）等檢索條件查詢。

（三）報警功能

在系統(tǒng)運行中，如果某個溫濕度傳感器超過預先設定值，服務器應用軟件會自動形成報警信息，并發(fā)往上位機電腦，同時與聲光報警器聯(lián)動，在工廠內發(fā)出聲光報警信號。

（四）通信功能

各傳感器分別通過ZigBee傳送數(shù)據(jù)到網關，網關通過WiFi以TCP/IP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到服務器。視頻監(jiān)控攝像機直接通過WiFi網絡以TCP/IP協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到服務器。上位機電腦發(fā)來的各類控制信息可以通過WiFi網絡傳送數(shù)據(jù)到網關，再通過ZigBee傳送至各傳感器。

三、架構設計

智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構由三層組成，分別是終端層、網絡層和應用層。

（一）終端層

終端層是最底層，是信息采集和監(jiān)控執(zhí)行設備。終端層包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、視頻監(jiān)控攝像機、聲光報警設備。溫濕度傳感器、煙霧傳感器。終端層與ZigBee網絡設備互聯(lián)[8]。視頻監(jiān)控攝像機附有WiFi通信模塊，可直接與WiFi網絡設備通信。

（二）網絡層

網絡層基于ZigBee和WiFi融合網絡。網絡層包括ZigBee網絡設備、網關設備、WiFi網絡設備。

ZigBee網絡設備包括協(xié)調器、路由器、終端節(jié)點三種功能設備[9]。網絡層主要完成的任務有相關環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并且要進行數(shù)據(jù)的分析轉發(fā)。網絡層不僅要考慮正常工作問題，還要考慮看工業(yè)環(huán)境信道噪聲干擾、網絡安全等安全因素。

（三）應用層

應用層由服務器及后臺管理軟件、上位機電腦及客戶端軟件組成。服務器及后臺應用軟件、上位機電腦及客戶端軟件可以采用C/S或B/S模式運行。應用層負責存儲、分析、歸類、統(tǒng)計和呈現(xiàn)傳感器網絡層傳來的數(shù)據(jù)。當應用層管理平臺通過分析對比傳來的數(shù)據(jù)和預先設定的預警值以后，如果超過預警值，就會將警報出發(fā)，并且將相關數(shù)據(jù)儲存到后臺數(shù)據(jù)庫中。這樣，管理人員一方面可以通過查看記錄了解工廠的歷史數(shù)據(jù)，另一方面也可以了解實時報警狀況，并且能夠通過視頻監(jiān)控攝像機遠程查看工廠現(xiàn)場視頻圖像，從而有效降低的人力、物力、財力的投入，實現(xiàn)快捷、高效管理。智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構如下圖1所示。

四、協(xié)同傳輸機制設計

協(xié)同傳輸機制旨在協(xié)調網絡的可靠運行，保證終端層數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全傳輸，檢查虛警數(shù)據(jù)。協(xié)同傳輸機制包括分組管理機制和基于預先級列表的網絡結構管理機制。

（一）分組管理機制

將不同的ZigBee設備群按地理位置分成各個小組。在每個小組中，由ZigBee協(xié)調器設備作為組長節(jié)點，其他路由器、終端節(jié)點兩個種功能設備作為組員節(jié)點。組長節(jié)點負責每個組員節(jié)點的網絡初始化，組長節(jié)點與組員節(jié)點通過投票簽名的公共鑰匙以及秘密鑰匙生成協(xié)議[10]。組長節(jié)點通過網關設備與指定的WiFi網絡設備互聯(lián)互通。

（二）基于預先級列表的網絡結構管理機制

鑒于智慧工廠建筑空間是穩(wěn)定的，ZigBee網絡一般采用星型網絡結構，即組長節(jié)點與一群組員節(jié)點是固定關系，網絡設備成本低、管理更方便[11]。

為了提高網絡總體可靠性、避免因組長節(jié)點宕機引起小組整體傳輸信息故障，采用網絡結構備份協(xié)商機制[12];預先對小組內各個節(jié)點設備賦予優(yōu)先級，一旦原組長節(jié)點宕機，小組會根據(jù)預先設定的優(yōu)先級列表，由剩余節(jié)點設備中優(yōu)先級最高的節(jié)點設備擔任組長節(jié)點，重新進行ZigBee網絡初始化，并通過網關設備與原組長節(jié)點對應WiFi網絡設備互聯(lián)互通。

五、總結

本文設計了基于ZigBee和WiFi融合網絡的智慧工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)三層架構，提出了涵蓋分組管理機制和基于預先級列表的網絡結構管理機制的協(xié)同傳輸機制。利用基于ZigBee和WiFi融合網絡技術，實現(xiàn)對溫濕度傳感器、煙霧傳感器信息傳輸和數(shù)據(jù)分析報警，同時實現(xiàn)視頻監(jiān)控圖像實時瀏覽，以及聲光報警發(fā)送。利用分組管理機制和基于預先級列表的網絡結構管理機制實現(xiàn)面向正常運行狀態(tài)和協(xié)調器節(jié)點故障狀態(tài)下可靠傳輸和運行?；赯igBee和WiFi融合網絡，依托網關設備，充分利用2.4 GHz免費頻段自組網，具有安全可靠、成本較低、網絡擴展能力強、業(yè)務承載多元化等優(yōu)點，能滿足智慧工廠環(huán)境數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控信息的傳輸，具有良好的拓展前景。

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