CN103034191A - 一种设备无线监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线通讯技术领域中的一种设备报警无线监控系统及方法。本发明包括安装在被测设备上的ZigBee终端节点和ZigBee路由节点、ZigBee终端节点和ZigBee路由节点通过ZigBee通信协议与ZigBee基站连接；ZigBee基站和监控系统连接。本发明装置成本低，无需布线，信号传输稳定性高，实现了对现场设备状态的实时监控。

Description

一种设备无线监控系统及方法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，特别涉及一种设备无线监控系统及方法。

背景技术

目前，工厂中设备在运行或非运行状态下出现报警和故障时，都需要工作人员对设备进行故障诊断和处理。如果设备处于自动运行并且无人操作的情况下，操作人员进工厂需要花费一定的时间，容易错失处理问题的有效时机，设备有可能被严重损坏，这样就增加了设备的维护和维修成本，给工厂带来直接的经济损失。而很多现有的技术是通过有线视频的监控方法来监控，监控的区域是受限制的并且存在盲区，另外这种方式没有和设备本身直接相连接，无法得知设备的运行状态，对于隐形的故障无法察觉，且需要复杂的布线，给工厂中现有设备的正常运行带来一定困难，监控的效果差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种设备监控系统及方法，对设备的运行状态进行实时监控，并及时解决出现的运行故障。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种设备无线监控系统，其特征是，该装置包括：

安装在被测设备上的ZigBee节点，与被测设备的PLC连接，用于采集被测设备的状态信息；

与所述ZigBee节点连接的ZigBee基站，用于对接收的所述状态信息进行存储和分类；

与所述ZigBee基站连接的监控系统，用于对分类后的所述状态信息进行分析并发出报警信号，发送控制指令使ZigBee终端节点对被测设备进行控制。

所述ZigBee节点包括ZigBee终端节点或ZigBee路由节点。

所述ZigBee路由节点接收所述ZigBee终端节点发送的所述状态信息，并将所述状态信息发送给所述ZigBee基站。

所述ZigBee路由节点包括：

第一ZigBee路由节点收发模块，用于接收ZigBee终端节点采集的设备状态信息或向ZigBee终端节点发送控制指令；

与所述第一ZigBee路由节点收发模块连接的路由处理器模块，用于对和ZigBee路由节点连接的被测设备的状态信息或ZigBee终端节点采集的设备状态信息进行分类统计；

与所述路由处理器模块连接的第二ZigBee路由节点收发模块，用于向ZigBee基站发送分类统计后的信息或接收ZigBee发送的控制指令；

能量供应模块，为第一ZigBee路由节点收发模块、路由处理器模块和第二ZigBee路由节点收发模块供电。

所述路由处理器模块包括：

任务管理单元，用于管理ZigBee路由节点的数据接收、数据采集和任务分配；

与所述任务管理单元连接的同步定位单元，根据ZigBee终端节点的地址信息对ZigBee路由节点接收的数据进行定位；

与所述任务管理模块、任务优先级处理单元连接的数据处理模块，用于通过和ZigBee路由节点连接的设备的PLC采集的设备的状态信息并向设备的PLC发送控制指令；

与所述同步定位单元连接的任务优先级处理单元，对ZigBee路由节点接收或采集的数据信息进行优先级分类；

与所述任务优先级处理单元连接的路由算法单元，对优先级分类后的数据处理得到相应级别的报警信息。

所述ZigBee终端节点包括：

前处理单元，用于通过被测设备的PLC采集被测设备的状态信息，并对被测设备的状态信息进行预处理；

与所述前处理单元连接的核心处理单元，用于对预处理后的设备的状态信息进行分类整理及缓存处理，对设备的状态信息的优先级进行排序；

与所述核心处理单元连接的无线收发单元，用于发送优先级排序后的设备状态信息或接收控制指令；

与所述无线收发单元连接的指令执行单元，用于接收所述无线收发单元的控制指令并发送给所述设备的PLC；

供电模块，用于为所述前处理单元、核心处理单元、指令执行单元和无线收发单元提供电能。

所述ZigBee基站包括：

基站主板，用于处理接收的设备状态信息；

与所述基站主板连接的射频单元，用于接收设备状态信息或发送控制指令；

与所述基站主板连接的音频报警单元，用于发出报警信号；

与所述基站主板连接的显示单元，用于显示处理中的信息；

与所述基站主板连接的电源管理单元，用于为基站主板提供电能。

所述基站主板包括：

无线控制单元，用于控制数据收发和无线自动组网；

与所述无线控制单元连接的数据处理单元，用于对设备的状态信息进行解析、运算或缓存；

与所述数据处理单元连接的数据缓存单元，用于将设备的状态信息动态地调入缓存器中；

与所述无线控制单元、数据处理单元和数据缓存单元连接的ARM事件管理和应用程序控制单元，用于对事件进行调度和任务分配管理。

所述监控系统包括服务器、移动计算机、局域网或智能手机。

一种设备无线监控方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：为设备配置ZigBee终端节点或ZigBee路由节点；

S2：将ZigBee终端节点采集的设备状态信息发送给ZigBee路由节点或ZigBee基站；所述ZigBee路由节点将采集的设备状态信息或者从其它ZigBee终端节点接收的设备状态信息发送给ZigBee基站；

S3：所述ZigBee基站将收集到的设备状态信息进行存储和分类，并将存储和分类后的设备状态信息发送给所述监控系统；

S4：根据所述监控系统对接收的设备状态信息进行处理，根据处理的结果发出报警信息，并发送相应指令控制现场设备的运行状态。

（三）有益效果

本发明为每一台现场设备配备ZigBee终端节点，对某些相对独立的区域配置ZigBee路由节点，实现了对所有现场设备的实时监测。将现场设备的状态信息发送给ZigBee基站进行汇总分类，并发送给监控系统对设备状态进行控制。

本发明采用无线信号传输，避免了线缆的繁琐布线，特别适用于位置分散或不容易布线的设备，本发明装置成本低，无需布线，采用了ZigBee协议进行信号传输，信号传输稳定性高，不对现场设备构成干扰，实现了对现场设备的实时监控。监控系统对ZigBee基站发来的信息进行分析，对设备出现的故障进行分类并发出对应的报警信号，避免故障的发生；对于一些紧急故障则直接通过ZigBee基站、ZigBee路由节点或ZigBee终端节点发送控制指令控制设备的PLC及时解除故障或隔离故障设备，有效地降低了故障的发生，减少了经济损失。

附图说明

图1是设备监控系统的ZigBee节点树形图；

图2是ZigBee终端节点设计；

图3是ZigBee路由节点设计；

图4是ZigBee基站控制系统设计；

图5是FAB厂无线ZigBee监控网络系统组图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明利用ZigBee技术来实现，ZigBee技术具有近距离、低功耗、难度低、成本低、双向无线通讯等优点，主要应用在自动控制和中远程智能控制等领域，可以嵌入到各种设备中，而且ZigBee技术还具有与GPRS等无线通讯技术和串行通讯技术无缝结合的特点。本系统采用2.4GHz波段，为全球统一无需申请的ISM频段，有助于本系统的构建和生产成本的降低。

本发明装置包括：

一、ZigBee终端节点，安装在被测设备上，和被测设备的PLC连接，用于采集被测设备的状态信息。实现了对所有现场设备的实时监测。根据现场设备不同的电气特性，设计ZigBee节点（ZigBee终端节点或ZigBee路由节点）的数据采集方案，针对设备布局，将ZigBee节点组成树形网络结构如图1所示，将每个设备作为一个ZigBee节点位置，每个ZigBee节点设计成以CC2530RF芯片为核心的ZigBee节点，通过片上串行通讯接口与该设备的PLC相连接，由PLC将异常报警信号和故障信息通过串行RS485的MODBUS通讯协议传递给ZigBee终端节点。ZigBee终端节点通过ZigBee协议将采集到的数据无线传输给ZigBee路由节点，当ZigBee路由节点由于故障而无法接收ZigBee终端节点的设备状态信息时，ZigBee终端节点将设备状态信息直接传递给ZigBee基站。

ZigBee终端节点包括：

（一）前处理单元，用于通过被测设备的PLC采集被测设备的状态信息，并对被测设备的状态信息进行预处理；

（二）核心处理单元，和所述前处理单元连接，用于对预处理后的设备的状态信息进行分类整理及缓存处理，对设备的状态信息的优先级进行排序；

（三）无线收发单元，和所述核心处理单元连接，用于发送优先级排序后的设备状态信息或接收控制指令；

（四）指令执行单元，和所述无线收发单元连接，用于接收所述无线收发单元的控制指令并发送给所述设备的PLC；

（五）供电模块，用于为所述前处理单元、核心处理单元、指令执行单元和无线收发单元提供电能。

二、ZigBee路由节点，安装在被测设备上，和被测设备的PLC连接，用于将采集的设备状态信息或接收的ZigBee终端节点发送的设备状态信息发送给ZigBee基站。ZigBee路由节点和ZigBee终端节点的配置相同。需要说明的是：一个设备上要么配置一个ZigBee终端节点，要么配置一个ZigBee路由节点，不能ZigBee终端节点和ZigBee路由节点同时配置在一个设备上。ZigBee路由节点通过ZigBee协议将ZigBee终端节点采集的设备状态信息和自己采集的设备状态信息无线传输给ZigBee网络的基站。ZigBee路由节点包括：

（一）第一ZigBee路由节点收发模块，用于接收ZigBee终端节点采集的设备状态信息或向ZigBee终端节点发送控制指令；

（二）路由处理器模块，和所述第一ZigBee路由节点收发模块连接，用于对和ZigBee路由节点连接的被测设备的状态信息或ZigBee终端节点采集的设备状态信息进行分类统计，包括：

1.任务管理单元，用于管理ZigBee路由节点的数据接收、数据采集和任务分配；

2.同步定位单元，和所述任务管理单元连接，根据ZigBee终端节点的地址信息对ZigBee路由节点接收的数据进行定位；

3.数据处理模块，和所述任务管理模块、任务优先级处理单元连接，用于通过和ZigBee路由节点连接的设备的PLC采集的设备的状态信息并向设备的PLC发送控制指令；

4.任务优先级处理单元，和所述同步定位单元连接，对ZigBee路由节点接收或采集的数据信息进行优先级分类；

5.路由算法单元，和所述任务优先级处理单元连接，对优先级分类后的数据处理得到相应级别的报警信息。

（三）第二ZigBee路由节点收发模块，和所述路由处理器模块连接，用于向ZigBee基站发送分类统计后的信息或接收ZigBee发送的控制指令；

（四）能量供应模块，为第一ZigBee路由节点收发模块、路由处理器模块和第二ZigBee路由节点收发模块供电。

三、ZigBee基站，和所述ZigBee终端节点连接，用于对接收到的设备的状态信息进行存储和分类，通过RS232转RS485接口、GPRS或Ethernet监控系统连接。ZigBee基站通过RS232转RS485接口或Ethernet与FAB厂外的监控室中的PC服务器相连接，或者通过GPRS技术、WEB技术与远程的无线监控设备相连接，将采集的数据信息传输给监控系统。ZigBee基站包括：

（一）基站主板，用于处理接收的设备状态信息；

1.无线控制单元，用于控制数据收发和无线自动组网；

2.数据处理单元，和所述无线控制单元连接，用于对设备的状态信息进行解析、运算或缓存；

3.数据缓存单元，和所述数据处理单元连接，用于将设备的状态信息动态地调入缓存器中；

4.ARM事件管理和应用程序控制单元，和所述无线控制单元、数据处理单元和数据缓存单元连接，用于对事件进行调度和任务分配管理。

（二）射频单元，和所述基站主板连接，用于接收设备状态信息或发送控制指令；

（三）音频报警单元，和所述基站主板连接，用于通过控制指令发出报警信号；

（四）显示单元，和所述基站主板连接，用于显示处理中的信息；

（五）电源管理单元，和所述基站主板连接，用于为基站主板提供电能。

四、监控系统，和所述ZigBee基站连接，监控系统可以是服务器、移动计算机、局域网或智能手机。用于对所述分类后的信息进行分析并发出报警信号，发送控制指令使ZigBee终端节点对被测设备进行控制。监控系统向ZigBee基站发出控制指令，通过ZigBee基站的报警灯和音频设备通知给现场的监控人员。监控系统将所有的信息存入数据库，并通过ZigBee基站、ZigBee路由节点或ZigBee终端节点，将控制指令发送给设备的PLC来控制设备，实时地对报警和故障进行检测和控制，故障严重时可以直接控制PLC的DO输出DC24V触发继电器或接触器，切断整个设备的交直流供电系统。可以全天候的中远程监控现场设备的运行状态，并进行相应的有效处理。

通过上述系统，本发明的实施步骤为：

S1：为设备配置ZigBee终端节点或ZigBee路由节点；

S2：将ZigBee终端节点采集的设备状态信息发送给ZigBee路由节点或ZigBee基站；所述ZigBee路由节点将采集的设备状态信息或者从其它ZigBee终端节点接收的设备状态信息发送给ZigBee基站；

S3：所述ZigBee基站将收集到的设备状态信息进行存储和分类，并将存储和分类后的设备状态信息发送给所述监控系统；

S4：根据所述监控系统对接收的设备状态信息进行处理，根据处理的结果发出报警信息，并发送相应指令控制现场设备的运行状态。

本发明的ZigBee节点（ZigBee终端节点和ZigBee路由节点）是此无线监控系统解决方案的核心单元，其选取TI的基于IEEE802.15.4技术的射频芯片CC2530为核心处理器，CC2530具有低功耗，高灵敏度，多选择性的优点，它可以用非常低的总的材料成本建立强大的ZigBee网络节点。本发明将CC2530芯片与MAX232芯片联合进行电平转换，通过RS232与RS485的接口转换实现与PLC控制系统通讯。ZigBee终端节点设计如图2所示，ZigBee终端节点安装在设备上，和设备的PLC连接，通过RS232串行总线采集数据；ZigBee路由节点也是安装在设备上，除了实现终端节点的功能外，还通过无线通讯采集其它ZigBee终端节点传输的数据信息，ZigBee路由节点是一个微型化的嵌入式系统，其设计如图3所示；而ZigBee基站是将所有ZigBee终端节点和ZigBee路由节点的信息集中处理的中枢控制系统，ZigBee基站集成了JTAG调试功能、DSP快速数据处理模块、ARM事件管理模块、高速存储模块和电源管理模块等主要器件，将接收到的数据通过RS485或Ethernet传输到厂端监控系统或者通过GPRS技术和WEB技术传输给远程的移动监控设备来处理采集到的数据，监控系统或移动监控设备根据不同的数据信息下发相应的控制指令。基站的设计如图4所示：

由上述ZigBee终端节点、ZigBee路由节点、ZigBee基站和监控系统，以及外围智能扩展设备，附加相应的软件控制，所组成的半导体厂设备的无线监控系统的组图如图5所示。

ZigBee基站和ZigBee节点软件设计平台常用的是IAR EmbeddedWorkbench，它是一套可以对汇编、C或C++编写的嵌入式程序进行编译和调试的开发工具。上位机采用ASP.NET技术和SQL数据库设计，

本发明为每一台现场设备配备ZigBee终端节点，对某些相对独立的区域配置ZigBee路由节点，实现了对所有现场设备的实时监测。将现场设备的状态信息发送给ZigBee基站进行汇总分类，并发送给监控系统对设备状态进行控制。

本发明采用无线信号传输，避免了线缆的繁琐布线，特别适用于由于距离或不容易布线的设备，本发明装置成本低，无需布线，采用了ZigBee协议进行信号传输，信号传输稳定性高，不对现场设备构成干扰，实现了对现场设备的实时监控。监控系统对ZigBee基站发来的信息进行分析，对设备出现的故障进行分类并发出对应的报警信号，避免故障的发生；对于一些紧急故障则直接通过ZigBee基站、ZigBee路由节点或ZigBee终端节点发送控制指令控制设备的PLC及时解除故障或隔离故障设备，有效地降低了故障发生和故障损失。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种设备无线监控系统，其特征是，该系统包括：

安装在被测设备上的ZigBee节点，与被测设备的PLC连接，用于采集被测设备的状态信息；

与所述ZigBee节点连接的ZigBee基站，用于对接收的所述状态信息进行存储和分类；

与所述ZigBee基站连接的监控系统，用于对分类后的所述状态信息进行分析并发出报警信号，发送控制指令使ZigBee终端节点对被测设备进行控制。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述ZigBee节点包括ZigBee终端节点或ZigBee路由节点。

3.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述ZigBee路由节点接收所述ZigBee终端节点发送的所述状态信息，并将所述状态信息发送给所述ZigBee基站。

4.如权利要求2所述的系统，其特征是，所述ZigBee路由节点包括：

第一ZigBee路由节点收发模块，用于接收ZigBee终端节点采集的设备状态信息或向ZigBee终端节点发送控制指令；

与所述第一ZigBee路由节点收发模块连接的路由处理器模块，用于对和ZigBee路由节点连接的被测设备的状态信息或ZigBee终端节点采集的设备状态信息进行分类统计；

与所述路由处理器模块连接的第二ZigBee路由节点收发模块，用于向ZigBee基站发送分类统计后的信息或接收ZigBee发送的控制指令；

能量供应模块，为第一ZigBee路由节点收发模块、路由处理器模块和第二ZigBee路由节点收发模块供电。

5.如权利要求4所述的系统，其特征是，所述路由处理器模块包括：

任务管理单元，用于管理ZigBee路由节点的数据接收、数据采集和任务分配；

与所述任务管理单元连接的同步定位单元，根据ZigBee终端节点的地址信息对ZigBee路由节点接收的数据进行定位；

与所述任务管理模块、任务优先级处理单元连接的数据处理模块，用于通过和ZigBee路由节点连接的设备的PLC采集的设备的状态信息并向设备的PLC发送控制指令；

与所述同步定位单元连接的任务优先级处理单元，对ZigBee路由节点接收或采集的数据信息进行优先级分类；

与所述任务优先级处理单元连接的路由算法单元，对优先级分类后的数据处理得到相应级别的报警信息。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述ZigBee终端节点包括：

前处理单元，用于通过被测设备的PLC采集被测设备的状态信息，并对被测设备的状态信息进行预处理；

与所述前处理单元连接的核心处理单元，用于对预处理后的设备的状态信息进行分类整理及缓存处理，对设备的状态信息的优先级进行排序；

与所述核心处理单元连接的无线收发单元，用于发送优先级排序后的设备状态信息或接收控制指令；

与所述无线收发单元连接的指令执行单元，用于接收所述无线收发单元的控制指令并发送给所述设备的PLC；

供电模块，用于为所述前处理单元、核心处理单元、指令执行单元和无线收发单元提供电能。

7.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述ZigBee基站包括：

基站主板，用于处理接收的设备状态信息；

与所述基站主板连接的射频单元，用于接收设备状态信息或发送控制指令；

与所述基站主板连接的音频报警单元，用于发出报警信号；

与所述基站主板连接的显示单元，用于显示处理中的信息；

与所述基站主板连接的电源管理单元，用于为基站主板提供电能。

8.如权利要求7所述的系统，其特征是，所述基站主板包括：

无线控制单元，用于控制数据收发和无线自动组网；

与所述无线控制单元连接的数据处理单元，用于对设备的状态信息进行解析、运算或缓存；

与所述数据处理单元连接的数据缓存单元，用于将设备的状态信息动态地调入缓存器中；

与所述无线控制单元、数据处理单元和数据缓存单元连接的ARM事件管理和应用程序控制单元，用于对事件进行调度和任务分配管理。

9.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述监控系统包括服务器、移动计算机、局域网或智能手机。

10.一种根据权利要求1至9其中任一所述系统的设备无线监控方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：为设备配置ZigBee终端节点或ZigBee路由节点；

S2：将ZigBee终端节点采集的设备状态信息发送给ZigBee路由节点或ZigBee基站；所述ZigBee路由节点将采集的设备状态信息或者从其它ZigBee终端节点接收的设备状态信息发送给ZigBee基站；

S3：所述ZigBee基站将收集到的设备状态信息进行存储和分类，并将存储和分类后的设备状态信息发送给所述监控系统；

S4：根据所述监控系统对接收的设备状态信息进行处理，根据处理的结果发出报警信息，并发送相应指令控制现场设备的运行状态。

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