基于物联网的工业现场监控系统的设计

刘海杰

(河北省特种设备监督检验研究院唐山分院，河北 唐山 063000)

当前，物联网ZigBee技术的应用越来越广泛。物联网技术在工业现场的应用，可建立物与物、物与人的网络连接，实现泛在感知，支持机器自动识别，提升自动化监控水平和效率。笔者设计了一种基于物联网的工业现场监控系统，通过组建无线传感器网络采集工厂运行中设备及环境所产生的信号，并传递给本工位的智能交互终端，交互终端具有本地监控的功能，且可作为网络服务器供远程用户访问，为工作人员进行现场管控提供快捷、便利的多重交互方式。

1 工业现场监控系统的整体设计方案

基于物联网的工业现场监控系统大致分为三部分。一是无线传感器网络部分，主要应用ZigBee技术和ZigBee协议栈进行开发[1]，实现组网、数据采集和传输。二是本地端部分，即应用C语言和界面开发工具GTK+在嵌入式开发板上实现本地客户端的开发。本地端主要实现ZigBee采集数据的处理和显示，以及通过摄像头实现对工厂环境的监控。三是网络端的开发，应用网络开发的前端技术、HTML超文本标记、JavaScript脚本及服务器端的CGI开发，实现服务器与客户端浏览器的数据交互，实现在客户端浏览器上显示环境监测数据及对工厂内部设备的管理，完成对工业现场的实时监控。整个系统的原理框图如图1所示。

图1 系统的原理框图

2 无线传感器网络设计

基于ZigBee协议的无线传感器网络由终端节点和协调节点组成[2]。其中协调节点应用ZigBee无线通信协议组建及管理网络。

2.1 终端节点

系统采用模块化的结构设计，每个ZigBee终端节点均包括无线数传模块和控制接口部分[3]。无线数传模块主要负责ZigBee信号的无线收发，实现基于ZigBee网络与协调节点的数据通信。不同类型终端节点的无线数传模块电路相同，而接口电路却有差别。本系统的接口电路主要用于驱动温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、振动传感器、液位传感器以及继电器控制模块，用于感知工厂设备及环境信息。由于各终端节点布放位置不同，故其携带不同的传感器，各节点协同工作。终端节点1的温湿度传感器和红外人体传感器HC-SR501的数据引脚分别连接CC2530的P0_4和P0_7；终端节点2的振动传感器SW-18010P的DO引脚和液位传感器的D引脚分别连接CC2530的P0_6和P0_7；终端节点3的CC2530 P0_6引脚连接烟雾传感器和P0_5引脚用于继电器控制。

2.2 协调节点

协调器是整个ZigBee网络的中心，负责传感器网络的建立、管理以及来自终端节点数据的汇集与处理。本设计针对管控系统硬件要求具有易开发、低功耗、低成本的特点，因此协调节点和终端节点均采用CC2530射频芯片作为ZigBee芯片。CC2530采用无线SOC(System On Chip)设计，系统所需的一般电路都已集成在芯片内部，只需简单外围电路即可实现信号收发功能[4]。

在本系统中，协调器通过串口与智能交互终端相连，并通过串口通信与交互终端进行数据的收发，主要是向客户端发送终端节点上传来的数据信息，并接收来自交互终端的控制信号。协调器节点结构图如图2所示。

图2 协调器节点结构图

2.3 ZigBee无线网络软件设计

2.3.1 协调器节点软件设计

协调器节点的主要功能是组建网络和维护网络，对节点进行绑定，进行数据的接收，将收到的数据发送给上位机，工作流程如图3所示。

图3 协调器节点工作流程

2.3.2 终端节点的软件设计

终端节点需定时采集工厂环境及设备数据并发送到协调器节点，其工作流程如图4所示。其步骤是节点初始化，尝试加入网络，进入网络后等待中断指令，当Sensor收到外部中断指令时，等待Sensor数据转换后进行数据发送，发送完数据后Sensor进入休眠状态，等待下一次的中断请求。

图4 终端节点的工作流程

2.3.3 程序设计

整个程序的设计考虑了以下三个部分：第一，网络节点对传感器的驱动；第二，传感数据的采集；第三，终端节点和协调器节点间的数据传输。

程序的设计以数据传输为主线，系统中数据分为上行数据和下行数据。上行数据主要用于实时数据和报警信息的采集，而下行数据则是针对报警信息而发送的控制指令。SampleApp_Init()初始化函数主要对终端节点的外部设备进行一些初始化操作，如对连接传感器的接口做输入输出的配置。

(1)上行数据的发送。上行数据(继电器节点除外)用SampleApp_Send_P2P_Message()函数打包传输，并在函数中调用数据采集函数，然后将数据保存到全局变量里，并调用AF_DataRequest()函数将数据发送到协调器。

(2)上行数据的接收。当终端节点发送数据后，协调器节点将接收到该数据，并调用处理消息的函数SampleApp_MessageMSGCB()，其中对应簇ID为SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID，然后对数据进行处理，并将接收到的数据通过HalUARTWrite()函数串口传到交互终端。

(3)下行数据的发送。当按下协调器的S1按键时产生中断信号，用SampleApp_SendPeriodicMessage()这个函数处理中断信息。通过AF_DataRequest()函数，将命令发给继电器终端节点。

(4)下行数据的接收。下行数据主要由协调器控制继电器，通过终端处理函数SampleApp_HandleKeys()来控制继电器的功能。

3 本地端的设计

以工位为单元使用智能交互终端，以Arm(S5PV210)嵌入式开发板作为开发平台，在Linux系统中进行本地端与网络服务器端的开发，采用触摸屏提供交互式操作，本地端负责感知数据的处理、显示。网络服务器端实现物联网网关的功能，负责ZigBee网络与Internet网络的连接，响应远程客户端的数据请求，同时通过串口通信实现对ZigBee网络的监控。

本地端的开发目的是使管理者在交互终端上对工厂环境进行监控。本地端的设计基于嵌入式Linux操作系统，用C语言和GTK+工具进行开发。

在Linux操作系统下，任何设备都被看作是文件描述符。当ZigBee网络的协调器通过串口连接到本地端时，在本地端的操作系统下会出现串口描述符/dev/ttyUSB0。通过串口的描述符，读取ZigBee的数据和进行数据分析，并用界面的操作工具GTK+进行显示，且可利用摄像头进行视频监控。

4 网络端设计

考虑到本地端的局限性，因此借用互联网的方式来获取工厂现场的设备及环境数据，以实现对工厂内部环境的管控。

通过在开发板上嵌入一个支持CGI脚本的Web服务器，生成动态页面，用户在任何地方都可以通过浏览器对系统设备进行监控。选择专门为嵌入式设备设计的Boa服务器作为嵌入式Web服务器，Boa是一个单进程的HTTP服务器，完成一个用户请求后，才响应另一个用户的请求，无法并发响应；它支持CGI，能为CGI连接开启新的进程。Boa服务器的体系结构如图5所示。通过移植Boa服务器，编写HTML页面并结合CGI技术，用户通过Internet就可以访问和控制嵌入式设备，从而实现对工业现场的监控。

图5 Boa服务器的结构图

5 系统调试

远程客户端采用HTML+JavaScript技术进行客户端网页的编写，实现远程用户对现场数据的监测和管理。客户端页面主要分为设备控制、现场环境、视频监控三部分。图6为系统在实验阶段对室内环境的数据采集结果，包括温度、湿度、烟雾、红外入侵等信息。

图6 室内环境数据采集结果显示界面

6 结论

本系统实现了基于物联网的工业现场监控，通过底层传感器网络进行设备及环境信息的采集，并传输至交互终端进行本地监控及供远程用户访问。经测试，系统可稳定地进行上下行数据传输，具有实时性好、可扩展性强的特点，在现场管控领域有较好的应用前景。