CN104574898A - 基于Zigbee的多传感器物联网监控方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee的多传感器物联网监控方法及设备，其中该设备为两层Zigbee通讯网络设备，包括叶节点和汇聚节点，多个叶节点与一个汇聚节点连接；叶节点包括Zigbee节点和传感器，汇聚节点包括Zigbee协调器，该Zigbee协调器与网关服务器连接；Zigbee协调器通过不同的协调方法检测相同和不同种类的传感器的数据，并将检测的数据通过网关传输给后台。本发明适应应用场景的实际需求，可提升工业安全生产监控数据监控的稳定性。

Description

基于Zigbee的多传感器物联网监控方法及设备

技术领域

本发明涉及工业生产环境监控领域，具体涉及一种基于Zigbee的多传感器物联网工业生产监控设备及方法，主要监控工业生产现场的环境因素如温湿度、广谱气体浓度和红外变化等，为工业安全生产提供保障。

背景技术

在企业生产管理的信息化方面，传统的办公自动化与信息管理系统主要是人工数据录入，管理信息系统对数据进行分析和计算，为企业管理和决策提供科学依据。这种人工录入数据模式(或单传感器的分散式数据采集)难以满足生产管理过程实时性的要求，特别是在安全生产信息化方面显得尤为突出。物联网技术的发展与应用为企业生产和管理实现实时过程管理提供了技术保障和支持。

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网一方面提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球的经济复苏提供技术支撑。物联网的主要技术包括射频识别技术、无线传感器网络、宽带通信技术等。其中，无线传感器网络是物联网核心技术之一。无线网络传感器是一种集传感器、控制器、计算能力、通信能力于一身的嵌入式设备。它们跟外界物理环境交互，将收集到的信息通过传感器网络传送给其它的计算设备，如传统的计算机等。信息传输是无线传感器网络主要功能之一，在众多的信息通信传输技术中，基于IEEE 802.15.4无线标准的Zigbee技术具有廉价、低功耗、数据传输可靠性高、网络容量大、时延小、兼容性强、安全性高、实现成本低、协议套件紧凑简单，对传感器节点的管理也比较方便等优点，被广泛应用于工业领域。

目前，基于Zigbee无线组网技术成为各种工业生产安全监控解决的首选方案。然而，当Zigbee网络节点数量上升，网络层次结构复杂后，网络的数据丢包率和网络稳定性大幅下降。因此，必须根据应用场景的实际需求，对Zigbee网络结构进行优化设计，提升工业安全生产监控数据监控的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中通用Zigbee技术组网当网络层次复杂和节点数量过载后网络传输性能下降的缺陷，提供一种适应应用场景的实际需求，可提升工业安全生产监控数据监控的稳定性的基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控方法及设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控设备，该设备为两层Zigbee通讯网络设备，包括叶节点和汇聚节点，多个叶节点与一个汇聚节点连接；

叶节点包括Zigbee节点和传感器，汇聚节点包括Zigbee协调器，该Zigbee协调器与网关服务器连接；Zigbee协调器通过不同的协调方法检测相同和不同种类的传感器的数据，并将检测的数据通过网关传输给后台。

本发明所述的设备中，所述Zigbee协调器包括核心板、接口板和电源，其中核心板和电源均与接口板连接，该接口板连接网关服务器。

本发明所述的设备中，Zigbee节点包括核心板、接口板和电源，其中核心板和电源均与接口板连接，该接口板连接传感器。

本发明还提供一种基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控方法，其基于所述的设备，该方法包括以下步骤：

Zigbee协调器通过空间协调方法控制多个同种传感器的数据采集，其中同种传感器组成一个子群：

Zigbee协调器与子群建立通讯连接后，定期检测该子群中多个同种传感器通讯字段是否完整，丢弃不完整的字段信号，将完整的字段信号直接或者经处理后，通过网关传输给后台处理；

Zigbee协调器通过时间协调方法控制不同种类的传感器的数据采集：

建立与子群的连接链表；

定期检测子群的通讯字段，丢弃不符合通讯规则的通讯字段；

建立与子群间的通讯协调模式，包括两种：(1)线性模式，按照子群顺序依次采集多个子群的传感器数据，并通过网关传输给后台处理；(2)非线性模式，按照不同的采样频率采集多个子群的传感器数据，并通过网关传输给后台处理。

本发明所述的方法中，Zigbee协调器通过空间协调方法控制多个同种传感器的数据采集过程中，若检测到的完整信号个数为n_i，则对采集的传感器数据进行空间平滑处理，通过网关传递给后台的值为其中v_i表示该子群中第i个传感器的数值。

本发明所述的方法中，Zigbee协调器在一个检测周期中检测完传感器后，进入休眠状态，等待唤醒后进入下一个检测周期。

本发明产生的有益效果是：本发明基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控设备通过传感器获得生产现场的环境参数，再通过网络传输到汇聚节点，实现生产环境数据的远程监控和数据的智能分析与处理。本发明将ZigBee监控设备设计为两层网络，层次简单，节点数量适应工业应用场景，时延不会超过系统设定的时延范围，从而不会因过载影响网络传输性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于Zigbee的工业监控设备的结构示意图；

图2是本发明实施例Zigbee协调器的硬件结构示意图；

图3是本发明实施例Zigbee节点的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过传感器获得生产现场的环境参数，通过网络传输到汇聚节点，实现生产环境数据的远程监控和数据的智能分析与处理。

本发明基于Zigbee的多传感器物联网工业生产监控设备主要包括叶节点和汇聚节点两个部分组成。其中叶节点若干个，每个叶节点由一个节点型Zigbee和相应的传感器组成，其中传感器可以包括多种工业检测中需要的多种传感器，如广谱气体传感器、热释红外传感器、温湿度传感器等，本发明对此并不做限定，每种传感器可以设置多个。传感器与节点型Zigbee通过串口通讯将收集到的数据传给节点型Zigbee，然后节点型Zigbee通过无线传输协议Zigbee pro2007协议无线传输给汇聚节点。汇聚节点由一个协调器型Zigbee组成，通过无线传输协议Zigbee pro 2007与多个叶节点型Zigbee相连接。汇聚节点接收到不同的叶节点传过来的数据后通过串口通讯协议传给网关。叶节点起到收集数据的作用，可以将叶节点放置在不同的环境中，使用不同的传感器来收集对应的环境信息，然后传给汇聚节点，汇聚节点再通过串口协议传给网关。

本发明实施例中，对于Zigbee通讯模块，设计了一种分布式多层结构的工业生产环境监控通信体系，主要由叶节点和汇聚节点组成。叶节点主要用于现场传感器数据的传输和控制。汇聚节点接收和转发叶节点采集的现场传感器数据及相关控制信息。如图1所示，由叶节点和汇聚节点组成的两层Zigbee通讯网络形成的工业生产环境监控设备。

根据Zigbee系统的设计技术参数，典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，相邻节点间的通讯时延为15ms。根据这些参数，设计成星型网络，假设单点Zigbee的通讯距离是r米，那么单套Zigbee设备的覆盖范围是πr²平方米的空间，星型网络的整个网络扫描时间为t。从理论上讲，单中心节点的线性星型网络的容量为256个字节点，也就是Zigbee的接入地址栈的地址空间为0-255。假设，每个节点的传输字长分别为l₁,l₂,...l_n其中，n表示节点个数。节点的传输速率为k kb/s。对于有n个节点的单层Zigbee网络的传输时延为T，则有对于系统的通讯能力和时延的控制是核心问题，如果网络传输时延过大，影响了系统的响应时间，根据网络结构可以得出以下规律：多跳网络会增加多层之间的传输时延，复杂多层结构网络会给传输路由选择带来额外时延。基于本规则，本系统设计了一个两层网络，降低通讯网络的多跳路径，进而提升通讯网络容量和稳定性。

本发明实施例中，Zigbee通信节点的系统硬件结构的设计，具体分为叶节点的设计与汇聚节点的设计。其中，叶节点的设备设计具有如下的特征：叶节点的硬件结构由节点型Zigbee的硬件结构部分和相应的传感器硬件结构部分组成。节点型Zigbee具体由芯片核心板，接口板，电源3个部分组成。硬件系统结构如图2。其中，汇聚节点的设备设计具有如下的特征：汇聚点的硬件结构即协调器型Zigbee的硬件结构，协调器型的Zigbee硬件结构采用与叶节点型的硬件结构相同的结构。其主要特点在于每一类型的传感器采用多设备相互备份并提升检测精度，假设同一种传感器s_i的节点个数为n_i，那么每个检测周期中每个传感器节点的观测值为v_i，为减少系统检测误差，本发明的一个实施例中，对多个传感器检测值进行平滑处理，消除部分期间噪声，对于n_i个传感器s_i的单个观测周期中经平滑处理后的值为由于每同种类型传感器的传输字节相同，因此其传输时延也应该相同，这样同种传感器总时延为为其中l_i为该传感器传输字节长度。同理可以计算系统的传输时延为加上Zigbee系统的时延T＝t+t_t，在系统设定的时延范围内设计Zigbee节点类型和节点个数是本发明的核心部分。

根据上述实施例将Zigbee网络连接好后，将相应的程序通过IAR软件烧入节点型和协调器型Zigbee中。其主要特在在于：从协调器的多设备协同工作模式来看，设计多种类别和多数量的传感器的协作工作模式是控制算法的核心。

本发明基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控方法，主要基于上述实施例的设备，该方法主要为：Zigbee协调器通过空间协调方法控制多个同种传感器(同种传感器组成一个子群)的数据采集，以及通过时间协调方法控制不同种类的传感器的数据采集。其中：

空间协调方法的主要步骤为：第一步，建立协调器和节点的通讯连接，主要针对节点是同种传感器s_i的数量为n_i的子传感器群，即同种传感器组成的子群；第二步，检测该子群的通讯字段l_i是否完整，对于不完整的字段信号丢弃，这样假设检测到的完整信号个数为n_i，对信号字段的数值采用空间平滑其中v_i表示子群中的第i个传感器的数值，在检测器端，利用作为该传感器检测周期内的值传递到后台进行处理；第三步：完成该子群传感器检测后，传感器进入休眠状态，等到下一个检测周期后唤醒，启动整个检测过程。

时间协调方法的主要步骤为：第一步，建立各种传感器子群的连接链表，这样对于协调器而言系统具有m个传感器通讯子群，首先检测子群通讯字段完整性，主要是检测传输字段的长度合理性，对于不符合通讯规则的丢弃处理。第二步，建立传感器子群间的通讯协调模式，主要有两个类型，1、线性模型，按照子群顺序依次检索m个传感器子群的传感器数据，并传输给后台处理；2、非线性模型，按照不同的频度处理m个传感器子群的传感器数据，例如温湿度传感器在同一个系统周期中可以多次采用，而气体传感器仅仅采样一次。在子传感器群通讯过程中，控制和设计系统时延T≤σ，其中σ表示系统对传输时延要求的最大值。第三步，完成时间协调通讯模式后，系统进入休眠状态，等待唤醒后进入下一个检测周期。

本发明的一个具体实施例中，基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控设备包括3个叶节点和一个汇聚节点构成工业监控设备。其中三个叶节点由节点型Zigbee与相应传感器构成，使用的传感器依次为广谱气体传感器、热释红外传感器、温湿度传感器；汇聚节点由一个协调器型Zigbee构成。叶节点中的节点型Zigbee与汇聚节点中的协调器型Zigbee使用的硬件结构相同，本发明例以基于CC2530芯片的Zigbee通讯模块组成。叶节点和汇聚节点的硬件结构相同，如图2和图3所示，主要由CC2530核心板，接口板，电源，传感器4个部分组成。具体的实施步骤如下：

步骤1：工业生产环境监控设备的系统总结构由3个叶节点和1个汇聚节点构成。其中3个叶节点分别搭载不同的传感器，和汇聚节点组成通讯网络，其中叶节点的传感器是用Zigbee的字节点型模块，汇聚节点设备使用Zigbee的协调器型模块。具体结构图如图1所示。其中，设计的节点数为3，网络只需要字节点和汇聚节点构成两层通讯网络，设置网络的搜索和接入时延为45ms，定义温湿度、广谱气体和红外三个传感器的传输数据字长分别为18字节，6字节和4字节，这样在速率为10KB/s的传输速率下，传输时延分别为2.8ms，系统总时延T＝47.8ms。对于本系统而言，其相应速度符合设计要求。

步骤2.依据设计，依次实现字节点和汇聚节点的硬件结构。

(1)基本硬件板块设计：主要分为叶节点的叶节点型Zigbee和3个不同的传感器硬件部分，协调器的协调器型Zigbee的硬件结构设计。由于叶节点型Zigbee与协调器型Zigbee采用同样的硬件结构，整个系统的硬件结构实际上具体为Zigbee的硬件结构具体分为芯片CC2530核心板，接口板，电源3个部分。核心板：核心板CC2530板构成，CC2530板主要由CC2530芯片组成，是Zigbee的核心板，提供与接口板连接的接口J1、J2。本板采用的芯片是CC2530，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。接口板：接口板功能设计，通过J1、J4接口与CC2530板相连接，提供3.3V电源接口J3、与调试板连接的接口J6、与传感器连接的接口J2、J5，电源开关S1。调试板：调试板功能设计，通过调试板接口与接口板相连，调试板提供RS232的UART串口，5V电源接口，电源开关，ISP编程接口，USB供电口。

(2)传感器节点设计：将CC2530核心板的J1J2接口与接口板的J1J4接口对应相连，将接口板的J6接口与调试板的P1相接，将接口板的J3接口与电源相接。上述步骤完成后分别进行广谱气体传感器节点、热释红外传感器节点、温湿度传感器节点的装置组装。广谱气体传感器节点的装置组装。将广谱气体装置的P5接口与步骤七中已经完成的装置中的接口板的J2接口连接，完成广谱气体传感器节点装置的组装。热释红外传感器节点的装置组装。将热释红外装置的P5接口与步骤七中已经完成的装置中的接口板的J2接口连接，完成热释红外传感器节点装置的组装。温湿度传感器节点的装置组装。将温湿度传感器装置的P1接口与步骤七中已经完成的装置中的接口板的J5接口连接，完成温湿度传感器节点装置的组装。

(3)汇聚节点设计：将CC2530核心板的J1J2接口与接口板的J1J4接口对应相连，将接口板的J6接口与调试板的P1相接，将接口板的RS232接口与网关相连，将接口板的J3接口与电源相接。

(4)字节点的数据处理方法，为了便于理解，本设备的传感器子群个数为3，每个子群内的传感器个数为1，因此对传感器的数据平滑处理直接取其自身读数值。

步骤3.系统软件烧入，分别将Zigbee按照上述步骤组装好，将组装好的装置的调试板的J3接口通过调试线与电脑相连，通过调试软件IAR将程序烧入。节点型Zigbee将其节点型的程序通过IAR程序烧入，协调器型Zigbee将其协调器型的程序通过IAR烧入。软件的特征如下：Zigbee多节点的协作通讯模型主要分为时间控制(传感器类别间)和空间控制(同种传感器间)两大类。空间协调方法的主要特征在于：第一步，建立协调器和节点的通讯连接，这样对于同种传感器的数量为1的子传感器群。第二步，检测该子群的通讯字段是否完整，对于不完整的字段信号丢弃，这样假设检测到的完整信号个数，由于该子群内只有1个传感器，因此最终值为其本身读数值。第三步：完成该子群传感器检测后，传感器进入休眠状态，等到下一个检测周期后唤醒，启动整个检测过程。时间协调方法的主要特征在于：第一步，建立各种传感器子群的连接链表，这样对于协调器而言系统具有3个传感器通讯子群，首先检测子群通讯字段和合理性，对于不符合通讯规则的丢弃处理。第二步，建立传感器子群间的通讯协调模式，本例中为了便于说明，采用线性采样模式，就是每个传感器的采样频率相同，在工作周期内采用一次。本系统的时延上线σ＝1 s，远大于系统的传输时延。第三步，完成时间通讯模式后，系统进入休眠状态，等待唤醒后进入下一个检测周期。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控设备，其特征在于，该设备为两层Zigbee通讯网络设备，包括叶节点和汇聚节点，多个叶节点与一个汇聚节点连接；

叶节点包括Zigbee节点和传感器，汇聚节点包括Zigbee协调器，该Zigbee协调器与网关服务器连接；Zigbee协调器通过不同的协调方法检测相同和不同种类的传感器的数据，并将检测的数据通过网关传输给后台。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述Zigbee协调器包括核心板、接口板和电源，其中核心板和电源均与接口板连接，该接口板连接网关服务器。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，Zigbee节点包括核心板、接口板和电源，其中核心板和电源均与接口板连接，该接口板连接传感器。

4.一种基于Zigbee的多传感器物联网工业生产环境监控方法，其特征在于，其基于权利要求1所述的设备，该方法包括以下步骤：

Zigbee协调器通过空间协调方法控制多个同种传感器的数据采集，其中同种传感器组成一个子群：

Zigbee协调器与子群建立通讯连接后，定期检测该子群中多个同种传感器通讯字段是否完整，丢弃不完整的字段信号，将完整的字段信号直接或者经处理后，通过网关传输给后台处理；

Zigbee协调器通过时间协调方法控制不同种类的传感器的数据采集：

建立与子群的连接链表；

定期检测子群的通讯字段，丢弃不符合通讯规则的通讯字段；

建立与子群间的通讯协调模式，包括两种：（1）线性模式，按照子群顺序依次采集多个子群的传感器数据，并通过网关传输给后台处理；（2）非线性模式，按照不同的采样频率采集多个子群的传感器数据，并通过网关传输给后台处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，Zigbee协调器通过空间协调方法控制多个同种传感器的数据采集过程中，若检测到的完整信号个数为                                               ，则对采集的传感器数据进行空间平滑处理，通过网关传递给后台的值为，其中 表示该子群中第个传感器的数值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于， Zigbee协调器在一个检测周期中检测完传感器后，进入休眠状态，等待唤醒后进入下一个检测周期。