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论文研究-基于Modbus和ZigBee的工业现场环境监测系统的实现 .pdf 评分

基于Modbus和ZigBee的工业现场环境监测系统的实现,张钢,帅立国,针对工业现场环境监测的网络化和信息化管理问题,提出了一种基于Modbus和ZigBee的工业现场环境监测系统。本系统利用ZigBee(802.15.4)协议��
山国武技记文在 系统方案 硬件方案 本系统硬件设计主要包括无线传感器网络和嵌入式网关两部分。其中,无线传感器网络 主要用于现场传感器数据采集以及无线网络搭建,嵌入式网关主要负责与无线传感器网络和 服务器进行数据通信,作为无线传感器网络和远程服务器之间的桥梁。 无线传感器网络 无线传感器网终基于 技术搭建,由个协调器节点和多个终端节点组成。其中, 每个终端节点设备包含温湿度传感器、有害气体传感器、噪声传感器板卡、粉尘传感器,具 体使件结构如图所小 协调器/终端 传感器 天线模块 混湿度 传感器 GPIO 电源日CC2530 传感器 「AD通道 粉尘 传感器 UART 有害气休 传感器 图无线传感器网络硬件结构 协调器节点和终端节点均采用 ,由电源、复位、 接口、天线等模块组成。 温湿度传感器应用 传感器,通过单总线数字信号输出。有害气体传感器采用 系列化学传感器,配合电流转电压、差分运放电路,实现模拟电压信号输出。噪 声传感器应用麦克,通过有源滤波、运放电路以及 芯片实现输出,最终实现模 拟电压信号输出。粉尘传感器应用 公司的 光学粉尘传感器实现模拟电压 输出。 嵌入式智能网关 嵌入式智能网关以 )作为包含 内存, 用于 操作系统的管理和数据信息的存储更新。同时,通过 太网接口以及 串行接口分别实现 通信和串口通信,整个嵌入式网关硬件结构 如图所示。 山国武技记文在 系 内存 统 总 Flash S5PV210 线 N Flash 串口 以太网 图嵌入式网关硬件结构 软件方案 木系统软件设计方案主要用」系统的数据封装、解析和数据处理,其中, 协议 廾发用」整个系统应用层的数据传输 软件设计用于实现无线传感器网络的数据采 集处理和传输,嵌入式网关设计用于实现网关数据处理转发功能,服务器软件设计用于存储、 更新和管瑆工业现场环境参数信息,客户端软件设计用于为用户提供系统数据服务。 协议 协议是一应用层报文传输协议,由于其具有公开发表,帧式紧凑,支持多种 传输网络,兼容性强,易于开发等优点,该协议在工业自动化领域已得到广泛应用。同时, 也是一种请求响应型协议,通过功能码来提供相对应的服务。在本系统中,主要应 用到 等功能码,实现工业现场环 境参数的读写操作。 是能够在不同总线和网络间连接,用于通信的应用层通信协议。此协议主 要应用在基于以太网的 通信,异步串行通信以及 (·种高速令牌传递网 络)。本系统根据实际需求,在无线传感器网络和嵌入式网关之间实现 串行通 信,在嵌入式网关和服务器之间实现 通信。 协议定义了独立于特定总线下的通用协议帧,即协议数据单元(),由功 能码和数据组成。同时,根据不同总线或网络,在的头部和尾部添加地址、校验码 成完整的 协议帧,即应用数据单元(),如图所示。 应用数据单元() 附加地址 功能码 数据 校验码 协议数据单元() 图 协议数据帧 根据 在本系统中的应用需求,设计了 类,其结构如图所示。其中, 首先根据请求响应模型,分为 类及 类,用于 协议数 据单元()的解码和编码工作;其次,根据 协议在不同总线网络间的应用, 类派生出 子类, 类派生出 了类用于不同总线网络的应用数据单 山国武技记文在 元封装和处理。 CModbus client modbus Client TCP Modbus client serial CModbus server modbus server tcp Modbus Server tcP 图 类结构 软件设计 程序设计是在 协议栈的基础上实现,分别进行协调器()和终 端节点( )软件设计。其中,协调器用于存储和更新来自各个终端节点的工业现 场环境参数信息,并通过异步串行通信与嵌入式网关进行数据传输;终端节点通过多路选择 廾关和采样收集工业堄场各传感器数据,并对数据进行处理和封装,最后定时发送至协 调器节点。 对于协调器节点,如图所示,首先进行系统初始化,建立 星型网络;其次, 接收来自不同的终端节点数据信息,并对相应数据存储区进行实时更新;然后,对数据 存储区的所有数据按照 申行通信协议进行校验码计算和封装;最后,通过串行通信 接口,将 数据帧发送至嵌入式网关 对于终端节点,如图所示,首先进行系统初始化,搜索并加入 星型网终;其 次,通过 和口控制多路选择开关,收集来自处理后的传感器模拟信号 最后,对数据进行封装,并发送至协调器节点 嵌入式网关软件设计 嵌入式网关采用 操作系统,在 开发平台上进行智能设 各程序设计以实现 网关功能。此程序采用多线程技术,通过丌辟独立线程,·方面 负责存储更新由协调器发送的传感器数据信息,另一方面响应服务器 请求,发送 响应数据帧至服务器以实现 远程数据传输。 服务器软件设计 服务器软件基于单文档程序设计,一方面,利用 重叠模型实现非阻塞 通信,对各处工业现场嵌入式网关进行多连接管理,从而完成多地工业现场远程实时监 测通信任务:另一方面,利用 接口实现与云服务器 数据库的数据传输,用于 工业现场环境参数的存储管理和历史查询 客户端软件设计 本系统客户端根据和模型分别进行应用程序和页面设计,由于应 用程序无法满足各类应用程序的兼容性要求,因此,本系统主要采用页面为用户提供 数据管理服务 页面主要应用 技术进行前端设计,并通过 数据访 问接口对数据库进行操作以完成后端设计。 山国武技记文在 开始 开始 系统初始化 系统初始化 建立 Zigbee网络 加入 Zigbee网终 等待接收终端数据 启动定时器 接收成功 N 定时时间到 Y 更新数据 采集传感器数据 封装Ⅶ odbus数据帧 封装 Modbus数据唢 串口发送至网关 无线发送至协调器 图协调器流稈图 图终端流稈图 系统测试 首先,本系统应用自行丌发的 客户端软件对嵌入式智能网关的响应及 数据帧的正确性进行测试,结果表明,网关对服务器 请求响应及时, 数据帧封装正确,如图第一行所示,客户端软件发送请求指令,第、位字节为 是事务,默认为。第、位字节为 是协议,默认为;第、位字节是跟 随的字节数,该帧为;第位字节为 单元,此处为;第位字节是功能码 此处为功能码,读取保存寄存器值:第、位字节为读取寄存器的起始地址,第 位字节为读取寄存器的数量。当客户端软件发送 请求成功后,嵌入式网关响应 请求,发送 响应数据帧至服务器,服务器程序接收 响应帧并进行 处理。如图第二行所示,第到位字节与请求帧含义相冋,第位字节为接收的字节数 从第位至最后为寄存器数值,用丁数据处理和更新,经测试,响应数据帧正确。 17;19:28 192.1,1.172 19z,1081 0g000c3000画 17:49:29 192,1,1.172 00000170314080faoc80r83200e81件19032000 图 测试数据帧 其次,为检验 节点数据传输性能,本系统在空旷场地进行」组信号传输测试, 分别为接收信号强度测试和数据丢包率测试。在各组测试中,节点距地面,天线与地 山国武技记文在 面垂直 测试·接收信号强度测试 本测试利用接收信号强度指示值米表征不同发射功率和距离下协调器节点接收米 自终端节点信号的强度。值通过计算个符号周期即 内的平均接收功率获得, 单位为本测试由个终端节点和个协调器节点组成,终端节点分别设置发射功率 为 和,通信距离分别设为 等,每组距离下进行次信号测试,计算其 均值作为该距离下的接收信号强度值,用于验证信号强度与距离的关系。如图所示, 个节点在 内信号传输正常,随着距离的增加,信号接收强度值整体呈下降趋 势,并且发射功率越大,信号接收强度总体上史好。 传输距高 l00 0 一一发射与=45dBm -发射功率=0Bm 图倍号接收质量与距离折线图 测试二丢包率测试 本测试釆用个终端节点和个协调器节点在不同距离下进行点对点传输测试,计算不 同距离下的丢包率。终端节点设置发射功率为 每秒发送次数据,共发送组 数据,通过计算协调器接收到的数据包组数计算丢包率。如表所示,在 处丢包率为,在处丢包率迅迩增加,信号传输不稳定现象明显,需通过 路由器节点改善传输性能。 表丢包率与通信距离关系表 距离 发送数据包数 接收数据包数 丢包率 通过以上测试,距离在以内的点对点传输非常稳定,若需要增加通信距离,可通 山国武技记文在 过增加路由器节点实现网络传输范围的扩展。 最后,本系统进行整体联调测试,服务器软件实吋动态显示L业现场环境参数,定期将 数据保存至数据库,便于数据存储以及历史査询工作。同时,用户通过页面对每日环 境监测情况进行査询。图为噪声在线监测图,可实时显示工业现场区噪声分贝数,并 进行数捱处理,显示内的峰值及平均值,便于监控人员对工业现场环境进行高效监测 管理。图为环境监测管理页面图,用户可通过页面查询各类传感器的每日胎测情况。 噪声实时监控B区 66.93 平均值e 70.14dB 最大值 CMax Value 9522dB 最小值( din valre w 图噪声在线监测 保感共型退感器工编日,期2413海 环境监测数据折线图 15 201410313:120 201410:31194900 201410312:090 图环境监测管理页面图 结论 本文设计了基于 和 的业现场环境监测系统,利用 技术实现工 业现场无线传感器网络搭建,通过嵌入式智能网关实现服务器的 远程监测通信,同 时利用 数据库进行数据存储管理,整个系统测试运行良好,只有一定的参考和应用 价值 山国武技记文在 参考文献 乔庆梅,柯常云我国职业病防治的现状与思考中国医疗保险 李倩梅孙进生基于 和 的无线远稈控制系统的实现工业控制计算机 李俊林,帅立国,朱宝立基于物联网的有害气体监测系统的研究 北京:中国科技论文在线 作者文题 日期」htp:/ 叶美兰朱卫未新时代下物联网产业的发展困境与推进原则工信部《物联网十一五发展姚划》解读 南京邮电大学学报:社会科学版 文小玲邻艳华周洵农业生产环境监测系统软件设计式汉工程大学学报 当连风傅仁轩智慧水资源环境监测系统移动通信 唐海燕余成波张一萌基于 的矿井环境监测系统重庆理工大学学报:自然科学版 苏雷熊建设孙玉智基于 和 的分布式电子警察系统现代电子技术

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