基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計

中國橡膠機械網(wǎng) 本文針對輪胎企業(yè)成型車間溫濕度監(jiān)控需求，提出了一種新穎系統(tǒng)解決方案。通過采用最新的zigbee技術(shù)和高精度溫濕度傳感器SHT21，實現(xiàn)了企業(yè)級車間內(nèi)部溫濕度信息的集中監(jiān)控管理。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)運行可靠、易于組網(wǎng)，為企業(yè)提升產(chǎn)品品質(zhì)、降低能源消耗、深化工藝控制創(chuàng)造了條件。

引言

在輪胎成型工序，車間溫濕度是一項重要的環(huán)境變量，對輪胎的品質(zhì)有著重大影響，隨著“數(shù)字化車間”和“智慧工廠”的推進，傳統(tǒng)的在車間中部位置放置1套溫室傳感器和LED屏幕進行溫濕度采集顯示的方式已遠不能滿足現(xiàn)代輪胎生產(chǎn)工藝控制的需求，網(wǎng)絡化、智能化和可視化的車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)才能更好的滿足生產(chǎn)的需要。本文設計的基于Zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，采用高精度超小體積的溫濕度數(shù)字傳感器SHT21，運用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，達到了對整個車間的多個溫濕度采集點的靈活布置和組網(wǎng)通訊控制、對數(shù)據(jù)實時性采集的目的，配合系統(tǒng)的報警提示功能，最終實現(xiàn)對整個車間溫濕度可視化監(jiān)控，使之保持在工藝要求的可允許范圍內(nèi)，進而達到穩(wěn)定生產(chǎn)、提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗的目的[1]。

系統(tǒng)組成及其工作原理

該系統(tǒng)主要是通過底層分布式溫濕度采集終端對信息的實時采集和控制傳輸，完成車間溫濕度信息歸集功能，經(jīng)企業(yè)數(shù)據(jù)服務器通過對這些數(shù)據(jù)的分析，企業(yè)管理者就可對本企業(yè)、本車間的溫濕度信息情況進行很好的掌控，上位機的分析決策系統(tǒng)根據(jù)該信息進行啟動或關(guān)閉相關(guān)設備的操作，最終保證車間溫濕度值保持在設定的范圍內(nèi)。本文設計的溫濕度系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由底層溫濕度采集終端、網(wǎng)絡通訊采集設備和上位機管理系統(tǒng)平臺三部分組成，溫濕度采集終端分散安裝在車間內(nèi)預定的位置，功能是采集當前區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息，網(wǎng)絡通訊設備主要是將車間內(nèi)分散的信息點的數(shù)據(jù)高效、完整的傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)內(nèi)，上位機管理系統(tǒng)平臺主要是對采集到的信息進行展示和綜合分析并形成決策。

在本系統(tǒng)中，溫濕度采集終端和集中器之間的通訊采用 Zigbee的方式，該方式通訊效率高且穩(wěn)定可靠，易于分散安裝，集中器和上位機系統(tǒng)之間的通訊采用光纖以太網(wǎng)或GPRS的方式，該系統(tǒng)的工作原理為：溫濕度采集終端采集各采集區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息并進行顯示、判斷和記錄，當該點溫濕度信息高于或低于設定值時做出報警指示并對該報警信息進行記錄；集中器主要是對溫濕度信息進行數(shù)據(jù)和告警信息讀取并傳送到上位機系統(tǒng)，同時執(zhí)行上位機系統(tǒng)對底層各分散采集終端的控制命令；上位機根據(jù)集中器上傳的車間內(nèi)各采集點的溫濕度信息進行綜合分析，依據(jù)設定值和內(nèi)部算法做出相應的控制指令來調(diào)節(jié)車間內(nèi)的溫濕度值，形成一個大的閉環(huán)系統(tǒng)，最終使車間溫濕度值保持在設定的范圍內(nèi)。

該系統(tǒng)的硬件電路主要由微處理器、電源電路、通訊電路、存儲電路、時鐘電路、顯示電路、鍵盤輸入電路等組成，系統(tǒng)原理框圖如圖2和圖3所示。

1、微控制器電路

微控制器是溫濕度采集終端和溫濕度集中器的核心單元，主要完成程序調(diào)用、數(shù)據(jù)處理及判斷、數(shù)據(jù)采集上傳等功能，選用的高性能的工業(yè)級32位RISC處理器AT91SAM7X256。它的工作電壓范圍為2.7~5.5V，可以很好的和其他器件兼容，具有1個以太網(wǎng)接口、1個時間窗看門狗定時器、3個串行通訊USART接口、2個SPI通訊接口和1個兩線串行接口TWI，同時具有13個外圍數(shù)據(jù)DMA控制器通道，可以很方便的實現(xiàn)系統(tǒng)和外界進行數(shù)據(jù)交換。它可以為嵌入式控制提供靈活、高性價比的方案，特別適合用到以太網(wǎng)、Zigbee無線通信領(lǐng)域的場合，因此選用AT91SAM7X256作為本系統(tǒng)的微控制器。

2、溫濕度檢測電路

本單元是整個系統(tǒng)的感知環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)關(guān)鍵部分，溫濕度檢測的核心是傳感器的選型及應用。本系統(tǒng)選用Sensirion公司的高精度、低功耗、超小體積的精密溫濕度傳感器SH21，在20～80% RH的濕度范圍內(nèi)該傳感器的典型濕度精度±2%RH，在25～42℃溫度范圍內(nèi)該傳感器的溫度精度±0.3℃。SHT21采用標準的I2C協(xié)議進行通訊，采用雙側(cè)無引腳扁平封裝結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的小型化設計[2]，功能電路圖如圖4所示。
在上述電路中，U5是溫濕度傳感器芯片SHT21，R17、R18是上拉電阻，目的是為了避免信號沖突，C5是去耦合電容。

3、 Zigbee通訊電路

Zigbee無線網(wǎng)絡具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復及冗余性能優(yōu)異等特點，廣泛應用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個溫濕度監(jiān)控節(jié)點可以方便靈活的進行通訊。本系統(tǒng)選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE802.15.4標準，它由一個含有基帶modem的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器（帶有內(nèi)部Flash存儲器）組成[3]，功能電路圖如圖5所示。
在上述電路中，U5是溫濕度傳感器芯片SHT21，R17、R18是上拉電阻，目的是為了避免信號沖突，C5是去耦合電容。

4、 Zigbee通訊電路

Zigbee無線網(wǎng)絡具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復及冗余性能優(yōu)異等特點，廣泛應用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個溫濕度監(jiān)控節(jié)點可以方便靈活的進行通訊。本系統(tǒng)選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE802.15.4標準，它由一個含有基帶modem的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器（帶有內(nèi)部Flash存儲器）組成[3]，功能電路圖如圖5所示。
在該電路中，U4是zigbee模塊zicm2410，DS1、DS2、DS3是zigbee通訊的三個狀態(tài)指示燈，R21、R22、R23是三個指示燈的限流電阻；C6、C7、C8、C9是輸入電源的濾波電容，用于給U4提供一個穩(wěn)定的工作電壓。

5、繼電器控制電路

該部分電路是控制輸出的執(zhí)行部分，當溫濕度采集終端采集到的本地溫濕度值不在設定的范圍內(nèi)時，給出一個聲光報警信息，用于提示相關(guān)人員做相關(guān)操作。本系統(tǒng)中采用的繼電器是磁保持繼電器，和一般繼電器相比具有功耗低、負載能力強、體積小等優(yōu)勢，本系統(tǒng)中選用的型號是廈門宏發(fā)電聲股份有限公司的磁保持繼電器HEF7，功能電路圖如圖6所示。圖6繼電器控制電路
在該電路中，Q1、Q2是可控開關(guān)，電阻R10、R11是限流電阻，用于降低三極管Q1和Q2的功耗，R5、R6是為讓Q1、Q2可靠截止而設置的，R3、R4是為調(diào)整Q1和Q2的放大倍數(shù)而設置的，在應用中其阻值可靈活進行調(diào)整以滿足系統(tǒng)需要，D1、D2是反向續(xù)流二極管，用于抑制浪涌，保護繼電器。

系統(tǒng)軟件設計

為實現(xiàn)軟件部分的高效率和高可靠性，本系統(tǒng)采用可移植性和表達運算能力強的C語言作為程序語言，同時采用模塊化編程思想，將一個大的程序分成若干個小的功能模塊，各個功能模塊程序單獨設計，做好程序接口，最后在主函數(shù)中進行調(diào)用，最終形成一個整體[4]，系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。
溫濕度采集終端的程序編制采用了前后臺系統(tǒng)，充分應用了中斷處理來響應外部命令，主要包含主函數(shù)、數(shù)據(jù)存儲函數(shù)、時間中斷處理函數(shù)、接收中斷處理函數(shù)、顯示函數(shù)等功能模塊。系統(tǒng)上電開始初始化，主程序完成初始化后等待中斷的發(fā)生，通過對中斷標志位的判斷進而調(diào)用相應的處理程序進行相關(guān)動作，系統(tǒng)上位機實驗監(jiān)控界面圖8所示。
結(jié)論

本文設計的基于zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過應用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新型高精度溫濕度傳感器SHT21，解決了車間內(nèi)部布線繁瑣、布置點數(shù)受限制、信息不聯(lián)網(wǎng)、溫濕度信息可視化弱等問題，實現(xiàn)了對企業(yè)級車間內(nèi)部溫濕度信息的集中監(jiān)控管理，為企業(yè)提升產(chǎn)品品質(zhì)、降低能源消耗、深化工藝控制等創(chuàng)造了條件。實驗表明，該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、布置組網(wǎng)方便，在實際系統(tǒng)中具有較高的應用價值。