基于ZigBee的造纸废水远程监控系统设计与实现

张修建 赵 茜 梁振虎 王君本

(1.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛，066004;2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安，710129)

基于ZigBee的造纸废水远程监控系统设计与实现

张修建1赵 茜1梁振虎1王君本2

(1.燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛，066004;2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安，710129)

针对造纸工业废水处理过程的远程监控问题，提出了一种基于ZigBee的远程监控系统设计方案。在给出系统体系结构和节点软硬件设计过程的基础上，利用无线传感器网络和Web应用技术等设计了系统各功能模块，实现了造纸废水处理远程监控功能。用户使用浏览器便可对造纸废水厂的流程画面与实时数据进行远程监控与在线分析。

远程监控;数据传输;无线传感器网络;造纸污水处理;ZigBee

远程监控是指通过计算机网络实现对远程工业生产过程的监视和控制。现有的监控系统大多采用有线方式进行数据传输，但存在复杂度高、扩展性较差、维护困难、无法远程访问等问题。在造纸厂废水处理工艺中，现场作业的环境比较恶劣、布线比较困难，如果采用有线通信方式往往投入很大［1-3］。为解决这些问题，在工业污水监控系统中引入ZigBee无线通信技术，用以解决因现场数据采集点所处环境恶劣、偏僻分散、监测点较多、铺设固定通信线路成本过高等问题。

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率和低成本的无线通信技术，基于ZigBee技术的无线传感器网络应用于造纸废水各项指标的测量及控制，具有网络容量大、可靠性高、组网灵活、延展性强及系统维护简单等优点［4-5］。运用ZigBee技术组成无线传感器网络，对实现工业现场监控管理的信息化、自动化，改善工人的工作条件以及加强现场事故的应急处理能力具有非常重要的意义。

本课题利用Internet和无线传感器网络技术实现了对造纸工业废水处理的监视和远程控制，实现资源共享，以达到管理、控制和监控的目的。面向基于工业无线网络在远程监控系统的应用，提出了一种基于ZigBee网络的远程监控系统的设计方案及其功能实现，讨论了系统软硬件实现的可行性并给出系统主要界面。

1 系统总体设计方案

为了达到对造纸工业废水处理现场进行远程监控与管理的目的，系统必须具备数据采集、远程传输、分析处理、存储管理、远程监控等功能。为满足系统的功能要求，将系统设计成如图1所示的结构［6］。该系统分为现场数据采集与控制子系统 (现场监控端)、数据接收与存储子系统 (监控中心)和客户端数据管理与监控子系统 (远程监控端)3个子系统。

图1 基于ZigBee的远程监控系统结构示意图

数据采集与控制子系统，由终端节点、路由节点、协调器节点和执行控制设备等组成。传感器节点用于采集现场数据，并采用自组多跳路由无线方式把监测数据定时发送到协调器节点，再由协调器节点将收集到的数据通过串口传输至监控中心通信控制计算机。另外，执行控制设备接受监控中心转发来的控制命令，对命令进行解析、验证，然后采取相应的动作。

数据接收与存储子系统，主要有通信控制计算机、数据库服务器和Web服务器组成，通信控制计算机通过串口与底层设备实时数据通信，完成现场数据的分析和处理的控制，将现场参数和设备状况写入数据库服务器，并从数据库服务器中获取远程操作控制命令。Web服务器完成通过服务器扩展技术如CGI、ASP、JSP等与客户端的动态交互;数据库服务器配合用户账号的管理、各种现场数据及控制参数的存储和管理，以备Web服务器访问。

客户端数据管理与监控子系统，是用户通过浏览器直接与其交互的界面，从监控中心获取监测数据或向其发送控制命令。该系统采用ASP.NET动态网页进行技术开发。因采用B/S模式设计，用户端只需使用标准的Internet浏览器即可访问服务器资源，不存在客户端程序的开发和维护［7］。用户只要通过浏览器就能监测到终端节点实时采集的各类数据，将历史数据以列表和曲线的形式显示出来，还可以分析并显示出ZigBee网络路由结构。

如图1所示，由不同的传感器节点组成的基于ZigBee的无线传感器网络，应用到造纸废水远程监控系统中。这些节点分布随机部署在废水处理池的感知区域内，用来监测每个处理池中各处的废水处理状况，将终端节点采集的数据经多跳路由汇集到协调器节点，同时协调器节点也可以将信息发送给各节点。协调器收到无线节点数据帧后，进行数据汇集，然后通过RS-232串口与通信控制计算机相连接，供串口通讯程序读取，实时传输工业现场内传感器的监测数据。通信控制计算机接下来将数据进行分析、计算，处理后的数据再通过以太网传输到数据库服务器上，写入自定义的数据库。当监控中心接入Internet时，管理者和技术研究人员就可以在任何时候、任何地点监测到所采集的信息，对造纸废水处理状况进行实时监控。

2 系统关键技术设计与实现

2.1 无线传感器节点硬件设计

造纸工业废水处理现场监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，而无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的废水处理环境中。基于ZigBee的传感器节点主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成，能完成数据采集、信号检测和传递信息的任务［8］。为便捷地实现ZigBee网络通信，选用JN5139无线模板作为系统核心芯片。JN5139芯片是一种低功耗、低成本的无线微控制器，适用于IEEE802.15.4和ZigBee的软件应用。芯片集成了一个32-bit RISC处理器，可充分兼容2.4 GHz IEEE802.15.4收发器，提供了192KBROM，96KBRAM以及4路12位ADC和2路11位DAC，另外还提供了丰富的模拟量和数字外围设备接口。因此，JN5139仅需添加少量的外围元件就可以完成ZigBee通信功能的硬件实现。

网络的拓扑结构采用树状网。其中终端节点由简化功能设备RFD(Reduced Function Device)担任，主要完成对工业废水各参数的采集处理，可以与路由节点及协调器节点进行通信。路由节点及协调器节点由全功能设备FFD(Full Function Device)担任，用来接收终端节点采集的数据，可与网络中任何类型的设备进行通信。其中路由节点负责传送或转发连接在其上的ZigBee终端设备数据，协调器节点负责建立ZigBee网络，之后，它与其他路由节点一样，负责路由和转发数据，并且维持ZigBee网络。每个ZigBee网络至少需要一个FFD实现网络协调功能，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD，使用RFD用来降低能耗［9］。除了协调器具有 RS232通信接口外，RFD和FFD的硬件结构完全相同，主要区别放在软件方面。

工业现场在线监测仪表包括电磁流量计、工业酸度计、在线pH值测量仪、COD传感器等。终端节点通过JN5139内部12位AD获取传感器采集数据，其模拟通道根据实际应用可以连接不同类型的传感器，在每路数据前加参数类型标示，因此多路数据组帧时无需按顺序放置，数据解析时依然可以正确获取数据的物理意义。某一设备出现故障不会影响其他设备的正常工作，同时网络中的数据传输采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制，而且网络层和MAC层都有安全策略［10］，各个应用可以灵活确定其安全属性，所以整个网络的可靠性和安全性都比较高。

2.2 传感器网络管理软件设计

传感器网络管理软件主要分2个部分:终端节点的数据采集和传送模块;协调器节点数据接收和发送模块。协调器发布广播，要求终端节点上传各自的信息数据，终端节点在收到协调器下发的命令后，将传感器采集到的电压值以数据包的形式通过路由器转发或者直接发送给协调器节点，数据帧格式如图2所示。如果要监测网络的拓扑和路由结构，可以在节点ID后添加节点自身网络地址、父节点网络地址以及相应的路由信息来实现［11］。

图2 数据帧格式

本系统设计中，网络中的节点ID采用统一的编码方式，“节点信息”字段数据长度为1字节，其中低四位为RFD节点号，高四位为FFD节点号。根据高四位将数据帧发送到相应的FFD，FFD再通过低四位编码将数据帧发送到对应的RFD，即对应的现场采集点。每个无线节点将采集到的电压值数字化，放在开辟的2 byte空间的低12位，高四位用于标示方向位及物理量的类型，如:温度为0000(上行)，流量为0001(上行)，这样在数据解析时可以有效区分数据的物理意义。

为了保证网络的成功搭建，监测网络采用唯一的网络PAN ID，每个节点包含一个唯一的MAC地址。终端节点上电后首先进行信道扫描，信道设置成与现有的协调器信道相同，并提供正确的认证信息，然后与协调器建立连接。节点加入网络后，从其协调器得到一个网络地址作为网络中唯一的身份标识。实现数据传输的程序流程如图3所示。

图3 ZigBee终端节点程序设计流程图

协调器上电后首先初始化协议栈，然后进行能量检测，选择合适的信道，启动并建立ZigBee网络。此后，即可允许路由节点或终端节点与其连接，接收来自各个节点的数据，并将数据通过RS-232通信接口发送到到监控中心通信控制计算机，程序流程图如图4所示。

在服务器端运行的通信控制计算机软件采用VC++开发工具设计，串行通信采用MSComm控件完成数据帧的发送与接收。传感器节点定时发送数据给自己的路由节点，只有进行数据采集及控制时，才处于工作状态，数据发送完后便进入休眠状态，以节省功耗，延长使用寿命。

2.3 数据管理平台设计

基于B/S结构设计的数据管理平台，结合了ASP.NET在Web应用上的优势，允许用户在客户端浏览器上实时监控来自ZigBee无线传感器网络传来的数据，实现了远程终端浏览器在线监测、分析和处理传感器节点数据的功能。

图4 ZigBee协调器节点程序设计流程图

在本系统中，监控中心通信控制计算机采用VC++实现实时数据访问与读取机制，把从工业现场采集的各节点数据处理后将其发送到数据库服务器，也可以把远程监控端发出的控制指令通过ZigBee网络发送给终端，根据工艺要求控制加药泵的启停等实现远程控制。数据库服务器实现对各监测点废水数据的存储和管理，它存储报警数据、采集的废水参数、控制命令及设备的工作状态等。数据库使用关系数据库SQL Server 2000。在软件上，对数据库服务器的实时数据库管理采用了关系数据库与内存数据库相结合的方式。

运用基于C#的ASP.NET技术，从数据库中调用这些参数放到Web页面上，提供给登录的用户实时监控。另外，WEB应用程序服务器采用IIS5.0，并采用ADO.NET来实现数据库的访问。Web服务器通过响应远程客户的HTTP请求，从Web数据库中获取工业现场的实时信息，生成HTML网页发布到客户端浏览器，并将客户提交的控制命令存入数据库服务器。ADO.NET是.NET框架下的新的数据访问技术，利用ADO.NET可以方便高效地实现数据库的访问。系统数据库服务器与Web应用程序服务器分离，有利于数据的安全及Web应用程序服务器的升级和维护［3，12］。

3 系统监控效果与分析

系统首先在实验室内进行软硬件开发，组装并调试成功，此后又将系统安装到造纸厂废水处理，实际现场进行测试和应用。该系统经过现场测试及运行后，达到了预期的设计目标和控制效果，传输数据可靠，对于大量数据的存储、报表分析处理和实时读取效果理想，尤其是在简化设备安装布线、提高系统移动性和数据管理等方面效果十分显著。对于无线通信系统来说，外部干扰是不可避免的，所以系统安装时要尽量减少或排除干扰因素的影响。

授权用户登录系统后，利用浏览器可以在线监测到不同区域现场各设备的实时运行情况、ZigBee协调器组网状态、系统流程监视、报表统计分析、趋势曲线分析、远程故障诊断等信息，还可以根据当时需求，远程实时调整现场设备的控制参数达到生产要求。系统运用Ajax技术进行异步通信获取实时数据，然后利用得到的数据，通过JavaScript来构造VML图形对象形成实时监测曲线，该监控系统的流量动态绘制曲线的界面如图5所示，当鼠标移动到曲线某点处时，会显示出对应的坐标值及设备运行状况。该监控系统在线查询历史数据报表的实际运行界面如图6所示。

4 结论

基于ZigBee的造纸废水远程监控系统的设计与实现，利用无线传感器网络的分布式特点，有效地解决了传统监测系统遇到的拓扑结构固定、布线繁琐等问题，同时与Internet的结合，又为实现数据共享、远程监控提供了非常便捷的途径。该监控系统具有友好的操作界面，可以不受地理位置的限制，便于环保局环境监控中心的审核及相关管理;技术人员不必亲临生产现场就可以获取重要生产数据和设备运行状态，进行远程设备控制和故障诊断;管理维护人员可以根据远端现场生产状况及时进行分析、制定规划等，从而更好地实现企业内部的信息共享和及时决策。系统操作简单、节点部署简单灵活、工作稳定、共享度高，很好地实现了对造纸废水处理的远程监控。该系统具有良好的远程可操作性，它在石化、电力、工业污水处理等行业的生产监控自动化中也具有广泛的应用前景。

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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

张修建先生，硕士;研究方向:造纸工业污水处理技术、远程监控等。

2011-03-01(修改稿)

国家自然科学基金 (60934003)。

(责任编辑:马 忻)