中國橡膠機(jī)械網(wǎng) 本文針對(duì)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(shí)現(xiàn)了企業(yè)級(jí)車間內(nèi)部溫濕度信息的集中監(jiān)控管理。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)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(xiàng)重要的環(huán)境變量，對(duì)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(jìn)，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(jìn)行溫濕度采集顯示的方式已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代輪胎生產(chǎn)工藝控制的需求，網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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(yùn)用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，達(dá)到了對(duì)整個(gè)車間的多個(gè)溫濕度采集點(diǎn)的靈活布置和組網(wǎng)通訊控制、對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性采集的目的，配合系統(tǒng)的報(bào)警提示功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(jìn)而達(dá)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
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(jī)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(jìn)行顯示、判斷和記錄，當(dāng)該點(diǎn)溫濕度信息高于或低于設(shè)定值時(shí)做出報(bào)警指示并對(duì)該報(bào)警信息進(jìn)行記錄；集中器主要是對(duì)溫濕度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和告警信息讀取并傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)底層各分散采集終端的控制命令；上位機(jī)根據(jù)集中器上傳的車間內(nèi)各采集點(diǎn)的溫濕度信息進(jìn)行綜合分析，依據(jù)設(shè)定值和內(nèi)部算法做出相應(yīng)的控制指令來調(diào)節(jié)車間內(nèi)的溫濕度值，形成一個(gè)大的閉環(huán)系統(tǒng)，最終使車間溫濕度值保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
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(jí)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(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)時(shí)間窗看門狗定時(shí)器、3個(gè)串行通訊USART接口、2個(gè)SPI通訊接口和1個(gè)兩線串行接口TWI，同時(shí)具有13個(gè)外圍數(shù)據(jù)DMA控制器通道，可以很方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它可以為嵌入式控制提供靈活、高性價(jià)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(cè)電路
本單元是整個(gè)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(cè)的核心是傳感器的選型及應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議進(jìn)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(shè)計(jì)[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(hào)沖突，C5是去耦合電容。
3、 Zigbee通訊電路
Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個(gè)溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以方便靈活的進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個(gè)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(chǔ)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(hào)沖突，C5是去耦合電容。
4、 Zigbee通訊電路
Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個(gè)溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以方便靈活的進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個(gè)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(chǔ)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(gè)狀態(tài)指示燈，R21、R22、R23是三個(gè)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(gè)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(dāng)溫濕度采集終端采集到的本地溫濕度值不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，給出一個(gè)聲光報(bào)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(fù)載能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)中選用的型號(hào)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(shè)置的，R3、R4是為調(diào)整Q1和Q2的放大倍數(shù)而設(shè)置的，在應(yīng)用中其阻值可靈活進(jìn)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(hù)繼電器。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為實(shí)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(dá)運(yùn)算能力強(qiáng)的C語言作為程序語言，同時(shí)采用模塊化編程思想，將一個(gè)大的程序分成若干個(gè)小的功能模塊，各個(gè)功能模塊程序單獨(dú)設(shè)計(jì)，做好程序接口，最后在主函數(shù)中進(jìn)行調(diào)用，最終形成一個(gè)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(tái)系統(tǒng)，充分應(yīng)用了中斷處理來響應(yīng)外部命令，主要包含主函數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)函數(shù)、時(shí)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(duì)中斷標(biāo)志位的判斷進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的處理程序進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面圖8所示。
結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的基于zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過應(yīng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)級(jí)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(shí)驗(yàn)表明，該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、布置組網(wǎng)方便，在實(shí)際系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
引言
在輪胎成型工序，車間溫濕度是一項(xiàng)重要的環(huán)境變量，對(duì)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(jìn)，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(jìn)行溫濕度采集顯示的方式已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代輪胎生產(chǎn)工藝控制的需求，網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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(yùn)用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，達(dá)到了對(duì)整個(gè)車間的多個(gè)溫濕度采集點(diǎn)的靈活布置和組網(wǎng)通訊控制、對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性采集的目的，配合系統(tǒng)的報(bào)警提示功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(jìn)而達(dá)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(duì)信息的實(shí)時(shí)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(wù)器通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，企業(yè)管理者就可對(duì)本企業(yè)、本車間的溫濕度信息情況進(jìn)行很好的掌控，上位機(jī)的分析決策系統(tǒng)根據(jù)該信息進(jìn)行啟動(dòng)或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備的操作，最終保證車間溫濕度值保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的溫濕度系統(tǒng)框圖如圖1所示。
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(jī)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(jìn)行顯示、判斷和記錄，當(dāng)該點(diǎn)溫濕度信息高于或低于設(shè)定值時(shí)做出報(bào)警指示并對(duì)該報(bào)警信息進(jìn)行記錄；集中器主要是對(duì)溫濕度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)和告警信息讀取并傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)底層各分散采集終端的控制命令；上位機(jī)根據(jù)集中器上傳的車間內(nèi)各采集點(diǎn)的溫濕度信息進(jìn)行綜合分析，依據(jù)設(shè)定值和內(nèi)部算法做出相應(yīng)的控制指令來調(diào)節(jié)車間內(nèi)的溫濕度值，形成一個(gè)大的閉環(huán)系統(tǒng)，最終使車間溫濕度值保持在設(shè)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(chǔ)電路、時(shí)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(jí)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(gè)以太網(wǎng)接口、1個(gè)時(shí)間窗看門狗定時(shí)器、3個(gè)串行通訊USART接口、2個(gè)SPI通訊接口和1個(gè)兩線串行接口TWI，同時(shí)具有13個(gè)外圍數(shù)據(jù)DMA控制器通道，可以很方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它可以為嵌入式控制提供靈活、高性價(jià)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(cè)電路
本單元是整個(gè)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(cè)的核心是傳感器的選型及應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議進(jìn)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(shè)計(jì)[2]，功能電路圖如圖4所示。
3、 Zigbee通訊電路
Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個(gè)溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以方便靈活的進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個(gè)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(chǔ)器）組成[3]，功能電路圖如圖5所示。
4、 Zigbee通訊電路
Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、高可靠性、自組網(wǎng)、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域，通過該種短程無線通訊技術(shù)車間內(nèi)各個(gè)溫濕度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以方便靈活的進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)選用美國CEL的zigbee模塊zicm2410，是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個(gè)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(chǔ)器）組成[3]，功能電路圖如圖5所示。
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(dāng)溫濕度采集終端采集到的本地溫濕度值不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，給出一個(gè)聲光報(bào)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(fù)載能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)中選用的型號(hào)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
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為實(shí)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(dá)運(yùn)算能力強(qiáng)的C語言作為程序語言，同時(shí)采用模塊化編程思想，將一個(gè)大的程序分成若干個(gè)小的功能模塊，各個(gè)功能模塊程序單獨(dú)設(shè)計(jì)，做好程序接口，最后在主函數(shù)中進(jìn)行調(diào)用，最終形成一個(gè)整體[4]，系統(tǒng)主流程圖如圖7所示。
本文設(shè)計(jì)的基于zigbee的輪胎成型車間溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，通過應(yīng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)級(jí)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(shí)驗(yàn)表明，該溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、布置組網(wǎng)方便，在實(shí)際系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。