CN103940470B - 基于Zigbee的车间环境无线低功耗检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车间环境检测系统，尤其是一种基于Zigbee的车间环境无线低功耗检测系统，属于环境检测的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述基于Zigbee的车间环境无线低功耗无线检测系统，包括用于检测车间环境信息的车间环境检测装置，所述车间环境检测装置通过路由与协调器连接，以将车间环境检测装置获取的车间环境信息传输汇聚到协调器内，其中，路由与协调器间以Zigbee无线方式连接；协调器与监控服务器连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控服务器内，实现对车间环境的远程监控。本发明结构紧凑，能对车间环境实现无线低功耗的检测，扩展方便，适应范围广，安全可靠。

Description

基于Zigbee的车间环境无线低功耗检测系统

技术领域

本发明涉及一种车间环境检测系统，尤其是一种基于Zigbee的车间环境无线低功耗检测系统，属于环境检测的技术领域。

背景技术

工作车间是一个公司利益产出的地方，因此车间环境的监测有着重要的意义，这不仅能及时了解机器的运行状态，还能对车间的安全进行有效监控。目前，车间安全监控系统基本上采用有线传输方式，有线网络容易破坏，不利于信息传输，且二次改装困难。

Zigbee技术是近年来兴起的一种低功耗，低数据速率，低成本且数据可靠性高的双向无线通信技术，主要用于自动，远程控制领域及家用设备连网。于此同时，现如今的Zigbee网络中，采用休眠的比较少，会很大程度上浪费终端的功耗减少终端使用寿命。并且在如今的Zigbee网络中，路由在基本上都是需要一直进行工作的，所以路由的功耗是非常大的。在实际应用过程中，通常是通过会给路由进行有源供电，这势必会限制路由的安放地点，破坏Zigbee网络的连通性。若是以干电池为路由供电，保证了其可移动性，但是由于路由一直工作在Zigbee网络中，路由的消耗过大，会让路由很短时间内就失效了，造成了网络路径的改变，甚至会造成网络的瘫痪。因此，路由在Zigbee网络中显得尤为重要，确保路由节点在其可移动性较好的情况下实现低功耗十分的有意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于Zigbee的车间环境无线低功耗检测系统，其结构紧凑，能对车间环境实现无线低功耗的检测，扩展方便，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述基于Zigbee的车间环境无线低功耗无线检测系统，包括用于检测车间环境信息的车间环境检测装置，所述车间环境检测装置通过路由与协调器连接，以将车间环境检测装置获取的车间环境信息传输汇聚到协调器内，其中，路由与协调器间以Zigbee无线方式连接；协调器与监控服务器连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控服务器内，实现对车间环境的远程监控。

所述车间环境检测装置包括电流传感器、电压传感器、温湿度传感器、噪声传感器、一氧化碳传感器、震动传感器或烟雾传感器。

所述协调器通过以太网与监控服务器连接，所述监控服务器与主控计算机连接。

所述协调器通过无线通信模块与监控移动终端连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控移动终端内。

所述路由包括STM32W108芯片，协调器包括STM32W108芯片及STM32F107芯片，协调器中的STM32W108芯片与STM32F107芯片的SPI接口连接。

所述协调器与多个路由组成Zigbee网络，在组成Zigbee网络后，路由先将车间环境检测装置获取的车间环境信息传输汇聚到协调器，然后Zigbee网络中的路由再与协调器间进行时间同步。

Zigbee网络中的路由与协调器间进行时间同步时，Zigbee网络中处于底层的路由向上一级的路由询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步；当被询问处于父节点的路由未进行时间同步时，则当前被询问的处于父节点的路由继续向上一级的路由询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步，直至询问到上一级为协调器为止，此时，协调器与当前询问的路由之间进行时间同步，当前询问的路由将本地的时间加在数据帧内发送至协调器内，得到协调器与当前询问路由的时间偏差，当前询问的路由将时间偏差与本地时间进行叠加得到当前询问路由的同步时间。

当Zigbee网络中处于底层的路由向上一级的路由询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步，且被询问的处于父节点的路由完成时间同步时，则底层的路由与上一级已经完成时间同步的路由之间进行时间同步操作；所述时间同步操作包括处于底层的路由将对应的本地时间加在数据帧内发送至上一级处于父节点的路由内，得到底层的路由与处于父节点的路由之间的时间偏差，处于底层的路由将时间偏差与所述底层路由内的本地时间进行叠加，以得到所述处于底层路由的同步时间。

所述协调器与路由进行时间同步后，协调器能向路由传输休眠指令，以让Zigbee网络中的路由处于休眠状态，在设定的休眠时间内，Zigbee网络中的路由均处于休眠状态。

所述无线通信模块包括GPRS模块，所述GPRS模块采用SIM300芯片。

本发明的优点：通过Zigbee无线网络来监测车间环境，可以随时改变终端的位置来监测不同位置的环境，方便实用。利用时间同步和休眠算法，将Zigbee全网进行时间同步，使全网终端中所有节点都可以进行休眠。在形成的Zigbee网络中，让路由2进行了休眠，不但能保证其可移动性，并且可以让其运行在低功耗情况下，延长其使用寿命。通过休眠机制以及设置的特定休眠时间，有利于减少微处理器的能耗，延长其工作周期，并能有利于网络的稳定性。通过特定数据帧的设置不但能够进行参数数据的发送，并且能够确定到所在车间及机台，并能有效的进行时间同步的校准，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明组成Zigbee网络的示意图。

图3为本发明进行时间同步的示意图。

附图标记说明：1-车间环境检测装置、2-路由、3-协调器、4-无线通信模块、5-以太网、6-监控服务器、7-监控移动终端及8-主控计算机。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示：为了能对车间环境实现无线低功耗的检测，本发明包括用于检测车间环境信息的车间环境检测装置1，所述车间环境检测装置1通过路由2与协调器3连接，以将车间环境检测装置1获取的车间环境信息传输汇聚到协调器3内，其中，路由2与协调器3间以Zigbee无线方式连接；协调器3与监控服务器6连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控服务器6内，实现对车间环境的远程监控。

具体地，所述车间环境检测装置1包括电流传感器、电压传感器、温湿度传感器、噪声传感器、一氧化碳传感器、震动传感器或烟雾传感器。通过电流传感器用于检测车间设备的工作电流值，通过电压传感器用于获取车间设备的工作电压值，噪声传感器用于获取车间的噪音值，通过一氧化碳传感器用于获取车间内的一氧化碳含量，通过震动传感器用于获取振动的幅度，通过烟雾传感器用于检测车间内是否有烟雾，在具体实施时，可以根据需要设置相关的传感设备，此处不再一一列举。

在具体实施时，对于车间的环境参数有工作机台的电流、电压、震动幅度，车间的温湿度、噪音、烟雾。电流、电压传感器是用来采集每台机床的电流、电压，在每个车间都一个电柜，每台机床的电源线都接在电柜内，因此可以将电流、电压传感器放入电柜中，并将Zigbee节点置于电柜上固定。车间的温湿度、噪音、烟雾传感器，温湿度传感器至于车间的中央地带，由于温湿度的变化幅度较慢，且一个车间中变化不大，因此放在中间可以代表整个车间。噪音传感器以及烟雾传感器，则置于机台附近，防止机台出现特殊事故，震动传感器固定在各个机台上。

所述协调器3通过以太网5与监控服务器6连接，所述监控服务器6与主控计算机8连接。监控服务器6与主控计算机8连接，通过主控计算机8能获取监控服务器6内汇聚的车间环境信息。监控服务器6及主控计算机8能根据汇聚的车间环境信息及时有效地判断车间内的环境状态，能够判断是否有危险发生，以及对应的执行措施等。

所述协调器3通过无线通信模块4与监控移动终端7连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控移动终端7内。在具体实施时，监控移动终端7一般为智能手机，当然也可以为其他移动终端设备。

具体实施时，所述路由2包括STM32W108芯片，协调器3包括STM32W108芯片及STM32F107芯片，协调器3中的STM32W108芯片与STM32F107芯片的SPI接口连接。所述无线通信模块4包括GPRS模块，所述GPRS模块采用SIM300芯片。

具体地，路由2使用STM32W108芯片，是基于IEEE 802.15.4标准的嵌入式无线网络的最佳硬件平台，STM32W无线SoC集成了32位高性能处理器和无线基带处理器，实现了无线节点的高性能，低功耗。路由2使用了ZigBee Pro无线网络协议，ZigBee Pro无线网络协议提供了一个自组织，网状拓扑的网络传输协议，每个通讯节点不需要额外配置，开机即可自动加入网络，使得网络管理大大地简化。网状拓扑结构极大地延伸了网络覆盖地范围，同时也极大地提升了系统的健壮性。路由2通过调用ZigBee Pro协议加入zigbee网络，其中路由2能够提供路由服务的网络设备，能够实现网络数据包的转发，路由设备也能够充当终端节点使用；本发明实施例中，所述终端节点是指仅仅只能发送自身的数据，不能够进行数据的转发。

协调器3内的STM32W108芯片只不过是通过SPI总线挂接在了STM32F107芯片上，作为STM32F107芯片的一个外设使用。同样，协调器3采用的也是ZigBee Pro无线网络协议，在该协议栈下，协调器3（ZC）的主要功能是组成网络，包括射频信道的扫描和选择，设定无线传感网络的PAN ID（网络标识符）。在网络形成之后，协调器3的功能与路由2的一样，可以实现ZigBee网络数据包的转发。

本发明实施例中，以太网5使用的是DP83848以太网芯片，DP83848以太网芯片是一种网络控制芯片，该芯片通过SPI接口与STM32F107芯片进行通信，由于STM32F107芯片有着丰富的外设接口，所以STM32F107芯片作为一个网关，利用协调器3内挂接的STM32W108芯片进行协调，汇聚zigbee网络发送的信息，利用DP83848以太网芯片，通过RJ45网络端口将信息与监控服务器6进行交互。

本发明实施例中，GPRS模块用的是SIM300芯片，SIM300芯片是小体积即插即用模组中完善的三频/四频* GSM/GPRS解决方案。具体实施时，通过串口将SIM300与STM32F107芯片进行通信。通过STM32F107发送命令给SIM300芯片，SIM300芯片会将相应信息发送到管理人员手机上。

所述协调器3与多个路由2组成Zigbee网络，在组成Zigbee网络后，路由2先将车间环境检测装置1获取的车间环境信息传输汇聚到协调器3，然后Zigbee网络中的路由2再与协调器3间进行时间同步。

具体地，协调器3上电后，加载zigbee pro协议栈，并且检测该硬件与协议栈是否匹配，紧接着，进行网络数据的配置，设定无线传感网络的PAN ID，无线传感网络的信道，并寻找在该信道上有无以协调器身份的终端存在，若没有则以协调器的角色组建网络，并允许其他节点加入。路由2上电后，也需要加载Zigbee pro协议栈，并进行网络的配置，并且网络配置需要和想要加入的协调器3的网络配置一致，随后以路由身份向协调器3申请加入网络，协调器3对路由2的配置参数进行校验后，满足条件，则回馈路由2，允许加入网络，至此路由2才能加入网络。

Zigbee网络中的路由2与协调器3间进行时间同步时，Zigbee网络中处于底层的路由2向上一级的路由2询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步；当被询问处于父节点的路由2未进行时间同步时，则当前被询问的处于父节点的路由2继续向上一级的路由2询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步，直至询问到上一级为协调器3为止，此时，协调器3与当前询问的路由2之间进行时间同步，当前询问的路由2将本地的时间加在数据帧内发送至协调器3内，得到协调器3与当前询问路由2的时间偏差，当前询问的路由2将时间偏差与本地时间进行叠加得到当前询问路由2的同步时间。

当Zigbee网络中处于底层的路由2向上一级的路由2询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步，且被询问的处于父节点的路由2完成时间同步时，则底层的路由2与上一级已经完成时间同步的路由2之间进行时间同步操作；所述时间同步操作包括处于底层的路由2将对应的本地时间加在数据帧内发送至上一级处于父节点的路由2内，得到底层的路由2与处于父节点的路由2之间的时间偏差，处于底层的路由2将时间偏差与所述底层路由2内的本地时间进行叠加，以得到所述处于底层路由2的同步时间。

本发明实施例中，协调器3与路由2组成Zigbee网络后，利用到了时间同步校正，时间同步校正主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有路由2的时钟进行同步校正，使整个Zigbee网络可以达到精确同步。具体过程：待校准路由2周期地以单播的方式发送请求校准报文，处于父节点的路由2或协调器3收到这个报文后，若该父节点的路由2或协调器3已经完成了自身与对应父节点的路由2时间同步，则允许待校准的路由2与自己进行时间同步。此时，待校准的路由2发送一个时间戳t0，处于父节点的路由2或协调器3收到子节点的路由2发送的时间戳之后，记录下此时时间t1，并返回子节点的路由2一个时间戳t2，子节点的路由2记录下收到父节点返回的时间t3，当待校准的路由2获得上述四个时间后，通过delay=[(t1-t0)+(t3-t2)]/2；得到待校准的路由2与处于父节点的路由2或协调器3之间的传输延时Offset=t1-(t0+Delay)=[(t1-t0)-(t3-t2)]／2，计算出待校准的路由2与父节点的路由2或协调器3时间偏差。待校准的路由2计算出来的偏差修改本地时间，完成了时钟同步其同步。上述说明中，子节点、父节点是指处于与协调器3进行无线传输的通信链路上的路由2，一般地，处于底层的路由2是处于上一级路由2的子节点，与此同时，处于上一级路由2能作为底层路由2的父节点。处于底层的路由2能通过相应父节点上的路由2达到与协调器3之间的无线通信，从而能车间环境检测装置1检测的信号传输至协调器3内。

所述协调器3与路由2进行时间同步后，协调器3能向路由2传输休眠指令，以让Zigbee网络中的路由2处于休眠状态，在设定的休眠时间内，Zigbee网络中的路由2均处于休眠状态。

协调器3的数据帧，分为两种，一种是广播形式，数据帧形式如下：DAT0 DAT0=0，表示通知全网进行休眠，DAT1=1，表示通知全网进行时间校准；另一种形式为单播形式，用于时间同步的校正，数据帧如下：DAT0 DAT1，DAT0表示为接收到子节点发送时间同步请求给协调器时定时器的时间，DAT1表示为协调器向该子节点进行回复时的时间。

如图1、图2和图3所示，本发明的主要实施过程如下：

协调器3上电，Zigbee协议栈开始工作，协调器3内的定时器开始定时，建立Zigbee网络，并允许其他路由2加入。路由2开始加入到协调器3的网络中，并允许其他路由2加入到组成的Zigbee网络中，延伸了网络的空间范围，并且路由2内的定时器开始工作。

加入网络以后，各个路由2对连接的车间环境检测装置1进行一次的数据采集。协调器3收到路由2的数据之后，将协调器3接收到的数据调用UIP协议栈，通过以太网PHY控制器DP83848传递给监控服务器6。

待协调器3传完数据之后，延时30s，广播数据帧DAT=1，进行全网的时间校准。由于Zigbee网络链路在实际应用过程中比较多，因此我们选择一条进行描述。如图2中，最左边的一条通信链路，所述通信链路包含四个路由2，分别是路由2-1，路由2-2，路由2-3及路由2-4；路由2-1处于最底层，路由2-2处于路由2-1的上一级，路由2-3处于路由2-2的上一级，路由2-4处于路由2-3的上一级，路由2-3能直接与协调器3进行通信；路由2-3通过路由2-4能与协调器3连接，路由2-2通过路由2-3及路由2-4能与协调器3连接，路由2-1能通过路由2-2、路由2-3及路由2-4与协调器3连接。路由2-2作为路由2-1的父节点，路由2-1为路由2-2的子节点，路由2-3作为路由2-2的父节点，路由2-2同时有作为路由2-3的子节点，路由2-4作为路由2-4的父节点，路由2-3同时作为路由2-4的子节点。

具体地，首先路由2-1获取该链路中自己的父节点，即路由2-2，并询问自己的父节点是否进行了时间的同步，路由2-2随即查询时间同步标志位，如该位置“1”则表示作为父节点的路由2-2已经进行了时间同步校正，反之则未进行时间校正。由于网络刚建成，所以路由2-2并未进行时间同步，因此路由2-2回复路由2-1，路由2-2是以路由角色加入该网络中，并且路由2-2并未进行时间同步。路由2-1收到回复后，了解到路由2-2还未进行时间同步，因此随即循环向路由2-2发送时间同步请求。路由2-2得知自己未时间同步后，获取自己父节点（路由2-3）的短地址，并将其设为目标地址，向路由2-3询问是否已经进行时间同步了，至此以往，直到该链路中，路由2-4获取其父节点，即协调器3短地址，并向协调器3询问是否已经时间同步了，协调器3作为整个网络中唯一一直工作的端点，因此以协调器3作为所有端点时间同步的标准端点，因此当路由2-4收到协调器3的回复，告之路由2-4其父节点是协调器3后，路由2-4即开始进行时间同步校准。并且路由2-4的数据帧中数据的位置进行累加的操作。

首先路由2-4通过查询定时器，得到此时的时间戳t0，并组成数据帧，将协调器3的短地址作为目标地址，将该请求同步时钟数据帧发送给协调器3，协调器3收到该数据帧以后，记录下收到该数据帧的时间为t1，并组成数据帧t1，t2，其中t2为组成数据帧时的时间戳，将该数据帧发送给路由2-4，路由1-4记录下收到该数据帧的时间t3。

然后通过计算，路由2-4和协调器3的传输时延delay=[(t1-t0)+(t3-t2)]/2；时间偏差为offset=t1-（t0+delay）=[（t1-t0）-(t3-t2)]/2；这样路由2-2就可以根据时间偏差来调整本地时间了，将此时的本地时间t4加上offset得到的时间t5，此时t5就和协调器3的时间同步。

当路由2-4时间同步校准完成之后，时间同步标志位置“1”。此时，路由2-3通过循环询问路由2-4的时间同步标志位，得知路由2-4的时间同步校准已经完成，则如同上述路由2-4的时间同步校准步骤一样，路由2-3向路由2-4发送请求时间同步数据帧，路由2-4回复其接收到的时间t7，以及处理以后准备发送的时间t8，路由2-3记录下接收的数据帧的时间t9，并计算出时间偏差offset，最终与路由2-4完成时间同步校正，也间接完成了与协调器3的时间同步校正。

同样的，路由2-2也能完成与相应父节点路由2-3的时间同步校准，因此也都间接和协调器3进行了时间同步的校准。待路由2-1完成了时间同步校准以后，路由2-1向协调器3发送时间同步校准完毕指令，协调器3收到该指令后，延时30s，广播全网休眠命令，各个路由3收到指令后首先清零自己的时钟同步校准标志位，然后读取自己数据帧的第六位，以获知自己在网络的哪一层，并根据此设置睡眠时间，再进入深度睡眠模式，在该模式下，由看门狗定时器进行计时，当时间到了时间，则唤醒路由2。

由于定时间设置的特殊化，可得知，位于网络越前的层次，睡眠时间越短，被唤醒的越早，位于网络末端的设备，睡眠时间长，被唤醒的比较晚，因此当看门狗定时器，定时时间到了以后。

进一步地，若某个路由2采集的数据连续五次超出了所设定的阀值，协调器3就会通过串口发送命令给SIM300，SIM300会编辑通信通知管理人员，哪个车间的哪个节点发送的数据异常，让管理人员去查看该车间的是否有异情出现。同时管理人员也能通过向和SIM300绑定的SIM卡发送短信，编辑短信内容，通过STM32F107芯片读取接收到的短信内容，并将其解析为PDU码，并将该路由2当前采集到的参数数据反馈给SIM300，通过SIM300再次发送给管理人员用户。

本发明通过Zigbee无线网络来监测车间环境，可以随时改变终端的位置来监测不同位置的环境，方便实用。利用时间同步和休眠算法，将Zigbee全网进行时间同步，使全网终端中所有节点都可以进行休眠。在形成的Zigbee网络中，让路由2进行了休眠，不但能保证其可移动性，并且可以让其运行在低功耗情况下，延长其使用寿命。通过休眠机制以及设置的特定休眠时间，有利于减少微处理器的能耗，延长其工作周期，并能有利于网络的稳定性。通过特定数据帧的设置不但能够进行参数数据的发送，并且能够确定到所在车间及机台，并能有效的进行时间同步的校准，适应范围广，安全可靠。

Claims (1)

1.一种基于Zigbee的车间环境无线低功耗无线检测系统，其特征是：包括用于检测车间环境信息的车间环境检测装置（1），所述车间环境检测装置（1）通过路由（2）与协调器（3）连接，以将车间环境检测装置（1）获取的车间环境信息传输汇聚到协调器（3）内，其中，路由（2）与协调器（3）间以Zigbee无线方式连接；协调器（3）与监控服务器（6）连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控服务器（6）内，实现对车间环境的远程监控；

所述车间环境检测装置（1）包括电流传感器、电压传感器、温湿度传感器、噪声传感器、一氧化碳传感器、震动传感器或烟雾传感器；

所述协调器（3）通过以太网（5）与监控服务器（6）连接，所述监控服务器（6）与主控计算机（8）连接；

所述协调器（3）通过无线通信模块（4）与监控移动终端（7）连接，以将汇聚的车间环境信息传输到监控移动终端（7）内；

所述路由（2）包括STM32W108芯片，协调器（3）包括STM32W108芯片及STM32F107芯片，协调器（3）中的STM32W108芯片与STM32F107芯片的SPI接口连接；

所述协调器（3）与多个路由（2）组成Zigbee网络，在组成Zigbee网络后，路由（2）先将车间环境检测装置（1）获取的车间环境信息传输汇聚到协调器（3），然后Zigbee网络中的路由（2）再与协调器（3）间进行时间同步；

Zigbee网络中的路由（2）与协调器（3）间进行时间同步时，Zigbee网络中处于底层的路由（2）向上一级的路由（2）询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步；当被询问处于父节点的路由（2）未进行时间同步时，则当前被询问的处于父节点的路由（2）继续向上一级的路由（2）询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步，直至询问到上一级为协调器（3）为止，此时，协调器（3）与当前询问的路由（2）之间进行时间同步，当前询问的路由（2）将本地的时间加在数据帧内发送至协调器（3）内，得到协调器（3）与当前询问路由（2）的时间偏差，当前询问的路由（2）将时间偏差与本地时间进行叠加得到当前询问路由（2）的同步时间；

当Zigbee网络中处于底层的路由（2）向上一级的路由（2）询问其是否以父节点的角色工作以及是否完成时间同步，且被询问的处于父节点的路由（2）完成时间同步时，则底层的路由（2）与上一级已经完成时间同步的路由（2）之间进行时间同步操作；所述时间同步操作包括处于底层的路由（2）将对应的本地时间加在数据帧内发送至上一级处于父节点的路由（2）内，得到底层的路由（2）与处于父节点的路由（2）之间的时间偏差，处于底层的路由（2）将时间偏差与所述底层路由（2）内的本地时间进行叠加，以得到所述处于底层路由（2）的同步时间；

所述协调器（3）与路由（2）进行时间同步后，协调器（3）能向路由（2）传输休眠指令，以让Zigbee网络中的路由（2）处于休眠状态，在设定的休眠时间内，Zigbee网络中的路由（2）均处于休眠状态；

所述无线通信模块（4）包括GPRS模块，所述GPRS模块采用SIM300芯片。