CN101197067A - 基于嵌入式平台的无线远程监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于嵌入式平台的无线远程监测系统，涉及无线远程监测电子技术领域；系统包括三部分：基于ZigBee终端节点的无线数据采集系统、基于ZigBee技术的无线数据传输系统、基于嵌入式ARM平台的数据处理和以太网数据传输系统。具体内容包括：被监测设备、ZigBee终端节点、ZigBee路由节点、ARM平台ZigBee中心节点协调器以及监控中心计算机。嵌入式ARM平台上运行嵌入式Linux，ARM平台通过串口读取ZigBee中心节点数据，对数据进行分析处理后可在ARM平台的LCD(触摸屏)上显示输出，同时，可将分析处理后的数据通过ARM平台的以太网发送到监控中心计算机。本发明具有高性能、低功耗、低成本、易组网、易于安装且兼容性好的特征。

Description

基于嵌入式平台的无线远程监测系统

技术领域

本发明涉及无线监测电子技术，特别是涉及一种基于嵌入式平台的ZigBee技术的无线远程监测系统技术，属于嵌入式无线远程监测系统应用领域。

背景技术

现阶段，无线传输技术正飞速地进入许多应用领域，与有线设备相比其具有成本低、携带方便、无需布线等优点。而在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee(紫蜂)技术的快速发展可以说是令人始料未及的。自从2004年年底ZigBee标准确立，到2005年年底相关芯片及终端设备总共销售了1500亿美元，比被业界“炒”了多年的蓝牙，Wi-Fi产品进展都要快！ZigBee是基于IEEE 802.15.4无线标准的有关组网、安全和应用软件方面的无线技术标准。ZigBee技术拥有耗能低、成本低、复杂度低、网络容量大、安全性高、工作频段灵活、延时短等优点。每个ZigBee协调器可连接多达255个节点，几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目没有限制。完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准，应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有巨大的应用价值，未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动的几乎所有领域。

ARM(Advanced RISC Machines)是对一类微处理器的通称，也是一种技术的名字。目前，ARM微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定等等。在工业控制领域，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战，而且目前已有超过85％的无线通讯设备也采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

当前全国供电紧张，部分地区严重缺电，使得许多电站设备长期处于超负荷运行状态，设备的安全性也随之下降，这就要求对电站生产过程的各种参数进行实时监测以保证锅炉、汽轮机、发电机等主机设备和其他主要辅机设备的正常运行以及电厂的正常发电。所以，必将需要相应的状态监测与诊断维修系统来保证各种电站设备的安全、经济运行和尽可能的提高其工作效率。

据统计，近年来国产机组的等效可用率已有很大程度的提高，但电站设备事故还屡有发生。在实际生产运行中，由于电站设备设计和制造质量问题、安装不当、运行部门人员误操作、监控不当、维护管理不当、检修质量不良等原因导致设备发生事故的情况占有相当大的比例。电站设备发生事故后，不仅维修耗资巨大，给电厂和电网造成巨大的经济损失。同时，设备现代化管理提出了状态检修的要求，保证机组安全、可靠、经济和优化运行，科学评价机组的运行状态就成为当前十分重要的研究课题，其中远程状态监测与诊断技术一直是备受重视的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术所存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高性能、高传输速度、低功耗、低成本、易组网、易于安装且兼容性好的基于嵌入式平台的无线远程监测系统。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种基于嵌入式平台的无线远程监测系统，该系统包括三个部分：基于ZigBee终端节点的无线数据采集系统、基于ZigBee技术的无线数据传输系统、基于嵌入式ARM平台的数据处理和以太网数据传输系统。具体内容包括：被监测设备、ZigBee终端节点、ZigBee路由节点、基于嵌入式ARM平台的ZigBee中心节点协调器以及监控中心计算机等。嵌入式ARM平台上通过串口与ZigBee中心节点连接，在ARM平台上运行嵌入式Linux操作系统，可以在Linux下编程使ARM平台从串口读取ZigBee中心节点数据，对数据进行分析处理后可在ARM平台的TFT真彩LCD(触摸屏)上显示输出，同时，可将分析处理后的数据通过ARM平台的以太网发送到监控中心的计算机上。

进一步的，基于ZigBee终端节点的无线数据采集系统主要依靠工业级的ZigBee终端节点连接至传感器进行数据采集，可采集被监测设备的电压、电流、温度以及其他过程信号，采集了相关参数数据后，通过ZigBee无线通信方式传给ZigBee中心节点；基于ZigBee技术的无线数据传输系统主要完成ZigBee无线网络的组建、数据传输等功能，当ZigBee终端节点离ZigBee中心节点距离过远时需要将数据先发送给ZigBee路由节点后再转发给ZigBee中心节点；基于嵌入式ARM平台的数据处理和以太网数据传输系统主要是在ARM平台上分析和处理接收到数据，然后将数据通过以太网发送给监控中心的计算机上，并保存在监控中心的数据库中，以供进一步进行分析和处理使用。

进一步的，基于嵌入式ARM平台的ZigBee中心节点协调器包括：一嵌入式微处理器ARM平台，在ARM平台上运行嵌入式Linux操作系统，ARM平台外围分别设有USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN总线接口、以太网接口、JTAG调试接口、电源接口、AD/DA接口、Flash存储和LCD触摸屏；一个ZigBee中心节点，经串口连接至嵌入式ARM平台，中心节点分别设有RAM、ROM、LED、LCD、AD/DA、USB接口、2.4GHz天线等，由电池供电或通过串口与嵌入式ARM平台相连供电；嵌入式ARM平台将从串口接收到的ZigBee中心节点的数据分析处理后通过以太网接口以TCP/IP方式传输到监测中心的计算机上。

本发明所提供的一种基于嵌入式平台的无线远程监测系统中，所述ZigBee中心节点组成的无线网络的建立流程为：

1)中心节点建立网络；

2)网络建立？是则转至3)；否则转至1)；

3)等待终端设备加入；

4)请求加入网络？是则转至5)；否则转至3)；

5)允许加入网络并分配网络地址。

本发明所提供的一种基于嵌入式平台的无线远程监测系统中，所述ZigBee中心节点和终端节点的通信流程：

1)中心节点协调器等待接收数据，转至4)；

2)终端节点等待发送数据；

3)发送数据请求？是则转至4)；否则转至2)；

4)接收数据请求？是则转至5)；否则转至1)；

5)准备好接收？

6)接收数据并显示。

本发明的一种基于嵌入式平台的ZigBee无线远程监测系统，以实现对电厂设备或其他设备运行状态的无线远程监测。本发明的主要优点在于：

①无线监测的方式方便、灵活，节约成本，给监测系统的布置带来极大的便利，可以随时改变ZigBee终端节点的位置，采集不同设备的关键数据；

②采用嵌入式ARM平台对数据进行分析、处理，在监测点或数据量小的情况下该平台可独立作为监控中心，以节约成本；在监测点或数据量较大的情况下该平台可将分析处理后的数据通过以太网快速传输至监控中心的计算机；

③监控中心通过以太网与ARM嵌入式平台连接，可利用以太网速度快、通信标准化、数据安全化、连接简单化等有很多优点；

④通过本发明内容，给设备监测的工作人员提供快速、准确的数据，使他们可以采取及时、有效的诊断维修措施，从而给用户带来极大的经济效益。

⑤由于采用通过串口给中心节点模块供电的方式，串口供电最大的好处就是可以在不需要移动的情况下，特别是在实验阶段，免去经常更换电池的麻烦；

另外与传统监测系统相比，采用ZigBee无线监测系统的优点表现在：

①ZigBee网络容量大且网络形式多样，可以携带多个终端节点采集数据；

②ZigBee网络设备功耗低，价格便宜，可以降低整个监测系统的成本；

③采用无线形式，免去了布线的烦恼，且灵活性强，终端节点可随意移动用以监测不同的设备；

④上层采用以太网将数据传输给监控中心，它具有传输速度高、低功耗、易于安装且兼容性好的特点。

附图说明

图1是本发明实施例基于ARM嵌入式平台的ZigBee中心节点协调器示意框图；

图2是本发明实施例ZigBee中心节点供电电路图；

图3是本发明实施例ZigBee中心节点的LCD连接电路图；

图4是本发明实施例ZigBee中心节点的串口连接电路图；

图5是本发明实施例ZigBee中心节点的DB9与MAX3223连接电路图；

图6是本发明实施例ZigBee无线网络的建立流程框图；

图7是本发明实施例ZigBee中心节点和终端节点通信流程框图；

图8是本发明实施例基于嵌入式平台的电厂设备ZigBee无线远程监测系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构、方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种基于嵌入式平台的ZigBee无线远程监测系统是以Atmel公司的工业级AT91RM9200嵌入式微处理器为嵌入式核心平台，ZigBee中心节点通过串口连接到嵌入式ARM平台上，在ARM平台上运行嵌入式Linux操作系统，可以在Linux下编程使AT91RM9200平台从串口读取ZigBee中心节点数据，对数据进行分析处理后可在嵌入式平台的8寸TFT真彩LCD(触摸屏)上显示输出，同时，可将分析处理后的数据通过ARM平台的以太网发送到监控中心的计算机上。AT91RM9200是Atmel公司推出的基于ARM920T内核的一款32位RISC微控制器，它工作在180MHz频率下的运算速度可达200MIPS；在AT91RM9200上集成了丰富的外围功能模块，专门针对系统控制、通讯领域的应用而设计；在嵌入式平台集成了多种外围接口，包括USB接口、串口、CAN接口、AD/DA接口、485总线接口、音频接口、SD/MMC卡读卡器、JTAG/ICE、DEBUG调试接口等。

本发明利用嵌入式ARM平台上的串口与ZigBee中心节点通信，这样嵌入式平台将从串口接收到的数据利用自带的以太网接口通过TCP/IP方式发送到监测中心的计算机上。在这个过程中，嵌入式平台首先需要从串口读取数据，然后对数据进行分析处理，再将分析处理后的数据通过以太网发送到监控中心。

本发明采用Jennic JN5121模块作为ZigBee中心节点控制板，中心节点给用户提供了完全的硬件环境去开发802.15.4和ZigBee的应用。硬件提供了一个稳定的平台去测试以Jennic JN5121模块为核心的应用目标。根据系统的要求，ZigBee中心节点控制板主要具有以下一些组件：

128×64的黑白LCD；

4个LED和4个按钮开关；

4路12位ADC接口，2路11位DAC接口；

RS-232接口，用来通信与下载程序；

标准RS-232接口，用来与嵌入式平台进行通信；

其他扩展口。

JN5121模块是由JN5121芯片、天线、16MHz晶振、1Mbit FLASH和一些相关的电阻、电容组成的。封装成四层板，仅有1mm厚。FLASH存储JN5121内部处理器将要运行的应用程序，当系统启动后，芯片将存储在FLASH里的程序下载到RAM里执行。具体指标如下：

一个2.4GHz无线电适配器，包含有802.15.42450MHz PHY协议；

一个速率为250kbps的调制解调器，使用O-QPSK(Offset Quadrature PhaseShift Keying)的调制方式；

一个处理802.15.4MAC层协议的限时问题的数字基带处理器；

一个用来对802.15.4进行硬件加密的AES处理器，这个处理器允许内嵌式的加密和解密并且可以被软件或者注册通过控制；

芯片内部包含有一个带有计时器和数字IO的32位的RISC CPU；

CPU内部运行一个软件栈，执行MAC层的其余功能。这个软件提供一个API，使得上层的协议和应用可以使用MAC层的控制和数据服务；

通过叫醒计时器或数字IO转变使模块工作在低功率休眠模式和叫醒机制下。

ZigBee中心节点控制板供电通过两种方式，一种是通过串口与ARM嵌入式平台相连供电，另一种是通过两节1.5V电池供电。采用这两种供电方式，主要是考虑到，在中心节点不需要移动时，可以将其和具有串口的设备连接起来供电，免去换电池的麻烦。而当中心节点需要移动时，也可以通过电池供电，保证中心节点的供电。供电电路如图2所示。这两种供电方式是通过一个选择跳线J2完成的。使用串口供电，选择跳线的1和2两个引脚连接；使用电池供电，选择跳线的2和3两个引脚连接。无论选择哪种供电方式，控制板的电源开关均为SW5。

如图3所示，在ZigBee中心节点上设计了一个128×64像素的LCD。LCD的背光正极A直接连接在电源上，并不受开关SW5的控制。LCD的/RES脚连接到复位电路上，这样可以当按下复位按钮时，LCD也重新启动，进入工作状态。LCD通过A0判断数据是控制数据还是显示数据；通过C86选择是与6800还是8086接口；通过P/S选择是串行通信还是并行通信。在中心节点上，LCD与模块采取串行通信方式。JN5121的MCU是8086的，所以选择与8086的接口方式。当这几个引脚的连接方式确定下来后，可以设计出ZigBee中心节点LCD的连接图。

如图4所示，在ZigBee中心节点上，使用一个10引脚的插针作为串口，通过USB转串口转换器将USB和串口连接起来进行电平转换。利用USB转串口转换器，USB与模块进行通信，并且能够将编译好的程序下载到模块的FLASH中。串口上一些引脚连接到模块的UARTO的相应引脚上。通过这个串口，不仅可以将程序下载到模块的FLASH里，还可以给模块供电。串口供电最大的好处就是可以在不需要移动的情况下，特别是在实验阶段，免去经常更换电池的麻烦。图4是串口连接图，模块的DIO6、DIO7复用了UARTO的TXD、RXD，通过这两个引脚，模块与PC进行通信。其中，DTR与DSR连接在一起，表示只要模块准备好，认为模块立即可以接收数据；CTS与RTS连接在一起，表示只要PC请求发送数据，模块立即允许发送。

如图5所示，考虑到ZigBee中心节点的通用性，加入了一个DB9接头，可以与标准的RS232连接。由于电平不匹配，所以选用MAX3223芯片做电平转换。MAX3223含有两路数据输入输出，可以将信号电平降低到3.3V。模块这边选用UART1与PC进行通信。其中DIO17、DIO18、DIO19、DIO20分别复用CTS、RTS、TXD和RXD。图5是DB9与MAX3223连接图，图中设计了一些0欧姆的电阻，用途是为了可以灵活选用DB9，根据选用不同的0欧姆电阻使得公头和母头都可以用。

图6为ZigBee无线网络的建立流程，网络的组建是由中心节点协调器完成，当中心节点将网络建立成功后，终端节点可以请求加入网络，经过允许后，中心节点会自动分配给终端节点一个网络地址。所有的终端节点加入网络后，ZigBee网络建立完成，可以准备数据的收发。所述ZigBee中心节点组成的无线网络的建立流程为：

1)中心节点建立网络；

2)网络建立？是则转至3)；否则转至1)；

3)等待终端设备加入；

4)请求加入网络？是则转至5)；否则转至3)；

5)允许加入网络并分配网络地址。

网络建立后，终端取得了需要传输的数据，通过ZigBee无线网络将数据发送给ZigBee中心节点，在这个过程中，距离中心节点远的终端节点，需要通过ZigBee路由节点转发。如图7所示，ZigBee中心节点和终端节点的通信流程：

1)中心节点协调器等待接收数据，转至4)；

2)终端节点等待发送数据；

3)发送数据请求？是则转至4)；否则转至2)；

4)接收数据请求？是则转至5)；否则转至1)；

5)准备好接收？

6)接收数据并显示。

实际的ZigBee网络很复杂，比如可以组成星型、网型、树型。当ZigBee终端节点通过ZigBee网络将数据发送给中心节点后，中心节点向串口发数据，ARM嵌入式平台从串口读数据并将读入的数据进行相应的分析处理，然后通过以太网将数据传送给监控中心进行进一步的分析、处理和保存。

如图8所示，以电厂设备的无线远程监测为例对本发明作进一步的说明。系统的目的是通过ZigBee终端节点采集电厂设备运行数据，通过ZigBee无线网络进行数据收发，在基于ARM嵌入式平台的ZigBee中心节点进行数据的分析、处理，并通过ARM嵌入式平台的以太网接口将数据传输到监控中心的计算机上。

基于嵌入式平台的电厂设备ZigBee无线远程监测系统可分为三个部分，第一部分基于ZigBee终端节点的数据采集系统；第二部分是基于ZigBee技术的无线数据传输系统；第三部分是基于ARM嵌入式平台的数据处理和以太网数据传输系统。

对这三部分分别介绍如下：

1)基于ZigBee终端节点的无线数据采集系统

无线数据采集系统依靠工业级的ZigBee终端节点连接至传感器进行数据采集，可采集电厂设备的电压、电流、温度以及其他热工过程信号，采集了相关参数数据后，通过ZigBee无线通信方式传给ZigBee中心节点。在这个过程中，距离中心节点远的终端节点，需要通过ZigBee路由节点转发。

2)基于ZigBee技术的无线数据传输系统

包括ZigBee无线网络的组建、数据传输等功能。ZigBee无线网络的组建主要是依靠各个中心节点的创建和各个众多节点和路由节点的加入来完成；数据传输是依靠ZigBee无线网络来完成的，这当中，路由节点充当了中转的作用，当ZigBee终端节点离ZigBee中心节点距离过远而无法直接将数据发送给相应的中心节点时，就需要将数据先发送给路由节点，再转发给中心节点。

需要指出的是，路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要完成两个功能，一是寻找源节点和目的节点间的优化路径；二是将数据分组沿着优化路径转发。为了能够高效利用能量，减少通信量，ZigBee网络允许树形路由选择，即树形结构选址。有了树形路由选择，设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径，从而减小了网络流量。为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量，ZigBee路由允许路由节点去发现捷径。路由算法采用AODV(Ad hoc On Demand Distance Vetor)算法。每个路由器维护一张路由表，并定期与其邻居路由器交换路由信息，根据最小路由矢量更新自己的路由表。应用层框架定义监护网络节点协议。

3)基于ARM嵌入式平台的数据处理和以太网数据传输系统

在基于ARM嵌入式平台的数据分析处理系统中，在ARM9平台上运行嵌入式Linux操作系统。在ZigBee协议帧的基础上，建立无线网关的通信协议，包括设备编号、数据流方向、数据信息等。开机上电后系统进行自检、硬件初始化，在与远程监控服务器连接后进入数据流中继服务，实现数据协议的转换等功能。远程服务器接受连接后，随时接收传输的数据。

在基于ARM嵌入式平台的以太网数据传输系统中，以太网上可以挂接多个ARM平台，当ARM平台处理好接收到数据后，将数据通过以太网发送给监控中心的PC上，并保存在数据库中，以供进一步进行分析和处理使用。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征在于，该无线远程监测系统包括三部分：基于ZigBee终端节点的无线数据采集系统、基于ZigBee技术的无线数据传输系统、基于ARM嵌入式平台的数据处理和以太网数据传输系统；具体内容包括：被监测设备、ZigBee终端节点、ZigBee路由节点、基于嵌入式ARM平台的ZigBee中心节点协调器以及监控中心计算机等；嵌入式ARM平台上通过串口与ZigBee中心节点连接，在ARM平台上运行嵌入式Linux操作系统，能在Linux下编程使ARM平台从串口读取ZigBee中心节点数据，对数据进行分析处理后能在ARM平台的TFT真彩LCD(触摸屏)上显示输出，同时，可将分析处理后的数据通过ARM平台的以太网发送到监控中心的计算机上。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征在于，所述的基于ZigBee终端节点的无线数据采集系统主要依靠工业级的ZigBee终端节点连接至传感器进行数据采集，可采集被监测设备的电压、电流、温度以及其他过程信号，采集了相关参数数据后，通过ZigBee-无线通信方式传给ZigBee中心节点。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征在于，所述的基于ZigBee技术的无线数据传输系统完成ZigBee无线网络的组建、数据传输等功能，当ZigBee终端节点离ZigBee中心节点距离过远时需要将数据先发送给ZigBee路由节点后再转发给ZigBee中心节点。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征在于，所述的基于嵌入式ARM平台的数据处理和以太网数据传输系统主要是在ARM平台上分析和处理接收到数据，然后将数据通过以太网发送给监控中心的计算机上，并保存在监控中心的数据库中，以供进一步进行分析和处理使用。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征在于，所述的基于嵌入式ARM平台的ZigBee中心节点协调器包括：一嵌入式微处理器ARM平台，在ARM平台上运行嵌入式Linux操作系统，ARM平台外围分别设有USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN总线接口、以太网接口、JTAG调试接口、电源接口、AD/DA接口、Flash存储和LCD触摸屏；一个ZigBee中心节点，经串口连接至嵌入式ARM平台，中心节点分别设有RAM、ROM、LED、LCD、AD/DA、USB接口、2.4GHz天线等，由电池供电或通过串口与嵌入式ARM平台相连供电；嵌入式ARM平台将从串口接收到的ZigBee中心节点的数据分析处理后通过以太网接口以TCP/IP方式传输到监测中心的计算机上。

6.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征在于，所述的ZigBee中心节点组成的无线网络的建立流程为：

1)中心节点建立网络；

2)网络建立？是则转至3)；否则转至1)；

3)等待终端设备加入；

4)请求加入网络？是则转至5)；否则转至3)；

5)允许加入网络并分配网络地址。

7.根据权利要求1所述的基于嵌入式平台的无线远程监测系统，其特征还在于，所述的ZigBee中心节点和终端节点的通信流程为：

1)中心节点协调器等待接收数据，转至4)；

2)终端节点等待发送数据；

3)发送数据请求？是则转至4)；否则转至2)；

4)接收数据请求？是则转至5)；否则转至1)；

5)准备好接收？

6)接收数据并显示。

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