CN108495375B - 一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统 - Google Patents

一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：由ARM网关、上位机和两个以上ZigBee网络数据交互构成，其中ZigBee网络建立于生产现场，且每个ZigBee网络以通信互联的终端节点、路由节点和协调器自成一体并占用一个独立的信道，根据改进路由算法进行现场设备的数据采集和转发传输；上位机通过局域网和远程桌面外联两台以上的监控终端并提供人机交互的界面平台；ARM网关具有以太网接口，ARM网关与ZigBee网络的协调器电气连接、并通过网线连接上位机，ARM网关作为ZigBee网络与上位机的中继进行数据交互，根据信道能量扫描结果为ZigBee网络分配工作的信道。应用本发明该生产检测系统，具有网络稳定性高，性能可靠，体积小，成本低，无需现场布线等优点。

Description

一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统
技术领域
本发明涉及一种纺织生产监测系统，尤其涉及一种基于改进路由算法的ZigBee网络及纺织生产监测系统，属于网络自动化检测应用技术领域。
背景技术
纺织业是全行业中竞争性和国际依存度较高的行业，也是劳动密集型和具有优势的传统支柱产业之一，在上缴利税、出口创汇、解决就业、满足人民物质文化需求、促进经济增长、维护社会稳定等方面做出了突出的贡献。
目前，很多纺织企业仍然使用人工巡检结合手持仪器对现场机器运转情况以及其它生产状况进行监测，这种传统的监测方式造成了大量的人力资源浪费，并且无法做到实时数据采集。虽然近年来一部分企业已经应用计算机及相关技术实现了网络化的生产监测，但是生产现场复杂的环境、众多设备之间进行繁琐的布线以及检测仪器的成本和尺寸仍是个亟待解决的问题。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，ZigBee可工作于2.4GHz的ISM频段，具有16个信道；ZigBee技术抗干扰能力强，网络容量大，传输延时低，在工业应用中有着广泛的前景。
发明内容
鉴于上述现有技术的需求，本发明的目的旨在提出一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，解决生产现场复杂的环境、众多设备之间进行繁琐的布线以及检测仪器的成本和尺寸问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：由ARM网关、上位机和两个以上ZigBee网络数据交互构成，其中
所述ZigBee网络建立于生产现场，且每个ZigBee网络以通信互联的终端节点、路由节点和协调器自成一体并占用一个独立的信道，根据改进路由算法进行现场设备的数据采集和转发传输；
所述上位机通过局域网和远程桌面外联两台以上的监控终端并提供人机交互的界面平台；
所述ARM网关具有以太网接口，ARM网关与ZigBee网络的协调器电气连接、并通过网线连接上位机，ARM网关作为ZigBee网络与上位机的中继进行数据交互，根据信道能量扫描结果为ZigBee网络分配工作的信道。
进一步地，与ARM网关互联的任一ZigBee网络中，所述终端节点、路由节点和协调器均含有各自的主控芯片、外围电路和电源模块，且终端节点、路由节点还包含传感器模块，其中路由节点和终端节点的主控芯片为CC2530芯片；协调器的主控芯片为CC2538芯片。
更进一步地，所述传感器模块至少包含采集现场设备主轴转速的霍尔传感器，采集细纱钢丝圈转速的磁电传感器和采集现场温湿度的温湿度传感器。
更进一步地，所述路由节点的电源模块取电自相关联现场设备，并将所取得的220V交流电转换为5V直流电源供电；所述终端节点的电源模块根据采集的频率取电自锂电池或相关联现场设备，并将所取得的220V交流电转换为5V直流电源供电；所述协调器的电源模块和ARM网关取电自220V交流市电，并转换为5V直流电源供电。
进一步地，所述ZigBee网络的自定义的网络架构映射现场设备的排放状态，且网络架构中定义路由节点所连接的路由子节点和终端节点数量。
进一步地，所述ARM网关与各个ZigBee网络之间以分时的策略进行数据通信，ARM网关根据数据重要性、节点数量和数据量划分ZigBee网络的优先级，并进行信道扫描，将能量较低的信道分配给优先级高的ZigBee网络，将能量较高的信道分配给优先级低的ZigBee网络。
进一步地，所述ZigBee网络的数量上限为16个，且每个ZigBee网络的节点总数上限为150个。
进一步地，上位机人机交互的所述界面平台为由C＃编程得到，且上位机接收ARM网关中继转发的所有采集数据进行处理，得到现场设备的运行效率、纺纱产量和工艺参数，并规整存储于数据库中。
进一步地，所述改进路由算法包括步骤：
步骤1：为ZigBee网络划分多个区域，为每个区域设定大小为1个字节的标志Area；
步骤2：在原有AODvjr+ClusterTree路由算法基础上，在节点邻居表以及数据请求分组RREQ中添加Area标志；
步骤3：划分区域时，以协调器为坐标原点（0，0，0）建立坐标轴，将整个纺织现场分为四个象限，每个区域的中点代表这个区域的坐标，根据现场情况，找到一个单位为m的基准距离N为横纵坐标轴上的1，以此定义每个区域的横纵坐标（x，y，z），并建立table表保存坐标信息，则两个区域A和区域B的距离d时通过下面的公式计算：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
步骤4：当源节点需要发送数据时，首先查看路由表中是否存在到目的节点的路由路径；存在路由路径则沿此路径转发RREQ分组；不存在路由路径则发起路由请求，建立包含目的节点区域标志Area的RREQ分组，在邻居表中查找是否存在相同区域标志的路由节点，存在则向该节点转发RREQ分组，不存在则根据table表中的位置信息，查询自身邻居表，通过式（1）计算得到距目的节点所在区域较近区域的节点，将RREQ分组发送给该节点；
步骤5：当节点2接收到节点1发来的RREQ分组时，节点2首先查看RREQ分组中目的节点的地址，判断目的节点是否是自己，若节点2是目的地址，则节点2发送RREP包响应路由请求；若节点2不是目的节点，则节点2查询自身的邻居表是否存在目的节点，若存在则直接转发RREQ分组给目的节点，若不存在，节点2查询RREQ分组中的Area标志，结合table表中的区域位置信息，查询自身邻居表，通过式（1）计算得到距离目的节点较近区域的路由节点并将RREQ分组转发给该节点；
步骤6：当目的节点接收到RREQ分组时，沿着RREQ分组转发的反向路径向源节点发送RREP分组；
步骤7：当源节点接收到目的节点的RREP分组时，路由建立成功，沿路由路径发送数据。
与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步性，其有益效果体现为：该系统采用了ZigBee技术实现数据的交互，避免了在复杂的生产环境中繁琐的布线环节，采用基于现场环境进行改进的路由算法，降低了ZigBee网络的整体功耗，减轻了信道负载，避免了不必要的RREQ分组的转发，虽然适用场合变窄，但在纺织生产或相似的场合中的应用要优于原有路由算法，同时友好的人机交互界面为管理人员的操作提供了方便，具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明系统框架示意图。
图2为本发明ZigBee节点组成示意图。
图3为本发明ZigBee网络架构示意图。
图4为本发明协调器到B23节点路由路径示意图。
图5为本发明具有路由功能的节点对RREQ包的处理流程图。
图6为本发明系统流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种针对应用于纺织行业现场设备的自动化、网络化检测技术方案。如图1所示：该系统，由ARM网关、上位机和两个以上ZigBee网络数据交互构成，其中ZigBee网络建立于生产现场，且每个ZigBee网络以通信互联的终端节点、路由节点和协调器自成一体并占用一个独立的信道，根据改进路由算法进行现场设备的数据采集和转发传输；而该上位机通过局域网和远程桌面外联两台以上的监控终端并提供人机交互的界面平台；而该ARM网关具有以太网接口，ARM网关与ZigBee网络的协调器电气连接、并通过网线连接上位机，ARM网关作为ZigBee网络与上位机的中继进行数据交互，根据信道能量扫描结果为ZigBee网络分配工作的信道。
如图2所示：为ZigBee网络节点组成示意图，其中路由节点和终端节点所用主控芯片为CC2530，协调器节点则使用ROM更大的CC2538芯片，所有节点都包含电源模块和外围电路，路由节点和终端节点由于要负责数据的采集，所以还包含了传感器模块。为节省成本和实现低功耗，同时又不影响系统的整体可靠性，各个节点可采用不同的供电方案，对于路由节点以及协调器节点来说，由于要负责网络的维护和数据的转发工作，要求路由节点和协调器不能休眠要持续不断的工作，可采用从机器上取220V交流电转换为直流电的解决方案，对于终端节点来说，一些不重要或者采集频率低的节点，由于其不会频繁工作，可使其在完成采集工作后进入休眠状态，这样终端节点功耗将大大降低，可使用锂电池为其供电。
如图3所示，为ZigBee网络架构示意图，在生产现场中，生产机器一般按照有序的方式排列，已达到整洁和提高空间利用率的目的，这就决定着节点的放置也是大致有序的，在这种情况下，网络架构适合采用簇树型网络或者网状网络，但簇树型网络的缺点也较为严重，一旦通信路径中某一路由节点损坏，其后面节点的数据将无法得到转发，也就无法到达协调器，造成了数据的丢失，自愈能力较差，在这种大规模的组网中并不适用，但网状网络则不然，网状网络具有较强的自愈能力，一个路由节点损坏，其后的节点则会寻找新的父路由节点完成数据的上传，这种自愈能力在工程应用中是非常重要的。如图中所示，系统中包含了两个ZigBee网络（ZigBee网络的个数可在不大于16的范围内根据需求自行调整），网络1负责细纱机运转情况的监测，网络2负责针疏机运转情况的监测。每个网络中有M个节点（为了避免信道阻塞M不大于150），每台机器上安装一个节点实现机器相关运转情况数据的采集，第一台机器安装路由节点，考虑到机器之间的距离以及每种机器总的数量，之后每隔5台机器安装一个路由节点，两个路由节点之间的5台机器安装终端节点。（工程应用中不必局限与每隔5台安装一个路由节点，ZigBee网络节点的性能规定了每个路由节点可连接20个子节点，其中路由节点最多6个，在不违反这一前提下，同时考虑无线信号的传输距离，可任意配置节点的安装方式。）网络组建成功后，每个路由节点所连接的子节点的数量平均为6，其中5个位终端节点，1个位路由节点。在这种情况下，同一列两个路由节点的距离以及同一排两个路由节点的距离相距不远，1个路由节点连接的子节点数量不多，节点间可以在使用PCB蛇形天线的情况下做到可靠通信，降低了节点的成本，同时增加了系统的可靠性。
基于这种网络架构，可以实现节点数量多，监测范围广的大规模ZigBee网络，在这种网络架构下，两个ZigBee由于工作在不同的信道，网络之间不会相互干扰，降低了使用一个ZigBee网络路由节点以及协调器的压力，也避免了网络阻塞。同时，一旦某一路由节点损坏其后的节点可以很容易的找到新的父节点，增加了系统的稳定性和可靠性。
如图4所示，为本发明在基于原有路由算法基础上改进后RREQ包转发示意图，在一个ZigBee网络中，划分了A、B、C、D四个片区。划分区域时，以协调器为坐标原点（0，0，0）建立坐标轴，将整个纺织现场分为四个象限，每个区域的中点代表这个区域的坐标，根据现场情况，找到一个单位为m的基准距离N为横纵坐标轴上的1，以此定义每个区域的横纵坐标（x，y，z），并建立table表保存坐标信息，则两个区域A和区域B的距离d时通过下面的公式计算：
Figure 648297DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
每个片区包含两列节点，每列节点包含i（i>=1）个节点，当协调器需要建立与B23进行通信的路径时，协调器将RREQ分组发送给B区的节点，RREQ分组只在B区转发，不再发送到其他区域，减小了路由开销，同时降低ZigBee网络的整体能耗以及无线信道的负载，如箭头所示，能够达到B23节点的路由路径不止一条，但B23会根据不同路径所发来的RREQ分组中所包含的路由开销或跳数信息数选择实线箭头所示的最优路径：协调器-------B21-------B22-------B23作为数据发送的路径并向协调器发送RREP分组确定此路由路径建立成功。
如图5所示，为节点接收到RREQ分组时的处理流程。当节点2接收到RREQ分组时，首先查看RREQ分组中的目的节点是否为自己，若是，则返回RREP分组，若不是，则查询邻居表中是否存在目的节点，如果存在则直接转发RREQ分组到目的节点，否则，查询RREQ分组中的区域号Area，自身邻居表以及区域相对位置信息表table，通过式（1）计算得到距离目的节点较近区域的路由节点然后将RREQ包转发给该节点。
上位机采用C#编程实现友好的人机交互界面，便于工作人员直观的了解生产现场的情况，主要完成对接收到数据的处理得到纺织机械的运行效率，纺纱产量，纺纱工艺参数等数据，并将处理后的数据保存到数据库中便于随时查看。工作人员可以通过上位机打印报表，了解生产情况。同时使用远程桌面的方式实现不同管理人员在不同计算机上对上位机进行操作和管理。
如图6所示为系统流程图：系统完成初始化后，ARM网关对信道进行能量扫描，根据预先设置的ZigBee网络的优先级为ZigBee网络分配信道，信道分配完成后，协调器建立ZigBee网络，路由节点和终端节点加入网络并开始进行数据的采集，数据采集完成后，经路由节点的转发最终回到协调器，ARM网关通过分时的方式读取来自协调器的数据，ARM网关接受到数据后将数据通过以太网发送到上位机。
在实际的工程应用中，本发明所设计的一种基于改进路由算法的ZigBee网络及纺织生产监测系统采用了ZigBee技术实现数据的交互，避免了在复杂的生产环境中繁琐的布线环节，采用基于现场环境进行改进的路由算法，降低了ZigBee网络的整体功耗，减轻了信道负载，避免了不必要的RREQ分组的转发，虽然适用场合变窄，但在纺织生产或相似的场合中的应用要优于原有路由算法，同时友好的人机交互界面为管理人员的操作提供了方便，具有较高的实用价值。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：由ARM网关、上位机和两个以上ZigBee网络数据交互构成，其中
所述ZigBee网络建立于生产现场，且每个ZigBee网络以通信互联的终端节点、路由节点和协调器自成一体并占用一个独立的信道，根据改进路由算法进行现场设备的数据采集和转发传输，其中所述改进路由算法包括步骤：
步骤1：为ZigBee网络划分多个区域，为每个区域设定大小为1个字节的标志Area；
步骤2：在原有AODvjr+ClusterTree路由算法基础上，在节点邻居表以及数据请求分组RREQ中添加Area标志；
步骤3：划分区域时，以协调器为坐标原点（0，0，0）建立坐标轴，将整个纺织现场分为四个象限，每个区域的中点代表这个区域的坐标，根据现场情况，找到一个单位为m的基准距离N为横纵坐标轴上的1，以此定义每个区域的横纵坐标（x，y，z），并建立table表保存坐标信息，则两个区域A和区域B的距离d时通过下面的公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
步骤4：当源节点需要发送数据时，首先查看路由表中是否存在到目的节点的路由路径；存在路由路径则沿此路径转发RREQ分组；不存在路由路径则发起路由请求，建立包含目的节点区域标志Area的RREQ分组，在邻居表中查找是否存在相同区域标志的路由节点，存在则向该节点转发RREQ分组，不存在则根据table表中的位置信息，查询自身邻居表，通过式（1）计算得到距目的节点所在区域较近区域的节点，将RREQ分组发送给该节点；
步骤5：当节点2接收到节点1发来的RREQ分组时，节点2首先查看RREQ分组中目的节点的地址，判断目的节点是否是自己，若节点2是目的地址，则节点2发送RREP包响应路由请求；若节点2不是目的节点，则节点2查询自身的邻居表是否存在目的节点，若存在则直接转发RREQ分组给目的节点，若不存在，节点2查询RREQ分组中的Area标志，结合table表中的区域位置信息，查询自身邻居表，通过式（1）计算得到距离目的节点较近区域的路由节点并将RREQ分组转发给该节点；
步骤6：当目的节点接收到RREQ分组时，沿着RREQ分组转发的反向路径向源节点发送RREP分组；
步骤7：当源节点接收到目的节点的RREP分组时，路由建立成功，沿路由路径发送数据；
所述上位机通过局域网和远程桌面外联两台以上的监控终端并提供人机交互的界面平台；
所述ARM网关具有以太网接口，ARM网关与ZigBee网络的协调器电气连接、并通过网线连接上位机，ARM网关作为ZigBee网络与上位机的中继进行数据交互，根据信道能量扫描结果为ZigBee网络分配工作的信道。
2.根据权利要求1所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：与ARM网关互联的任一ZigBee网络中，所述终端节点、路由节点和协调器均含有各自的主控芯片、外围电路和电源模块，且终端节点、路由节点还包含传感器模块，其中路由节点和终端节点的主控芯片为CC2530芯片；协调器的主控芯片为CC2538芯片。
3.根据权利要求2所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：所述传感器模块至少包含采集现场设备主轴转速的霍尔传感器，采集细纱钢丝圈转速的磁电传感器和采集现场温湿度的温湿度传感器。
4.根据权利要求2所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：所述路由节点的电源模块取电自相关联现场设备，并将所取得的220V交流电转换为5V直流电源供电；所述终端节点的电源模块根据采集的频率取电自锂电池或相关联现场设备，并将所取得的220V交流电转换为5V直流电源供电；所述协调器的电源模块和ARM网关取电自220V交流市电，并转换为5V直流电源供电。
5.根据权利要求1所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：所述ZigBee网络的自定义的网络架构映射现场设备的排放状态，且网络架构中定义路由节点所连接的路由子节点和终端节点数量。
6.根据权利要求1所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：所述ARM网关与各个ZigBee网络之间以分时的策略进行数据通信，ARM网关根据数据重要性、节点数量和数据量划分ZigBee网络的优先级，并进行信道扫描，将能量较低的信道分配给优先级高的ZigBee网络，将能量较高的信道分配给优先级低的ZigBee网络。
7.根据权利要求1所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：所述ZigBee网络的数量上限为16个，且每个ZigBee网络的节点总数上限为150个。
8.根据权利要求1所述基于ZigBee网络的纺织生产监测系统，其特征在于：上位机人机交互的所述界面平台为由C＃编程得到，且上位机接收ARM网关中继转发的所有采集数据进行处理，得到现场设备的运行效率、纺纱产量和工艺参数，并规整存储于数据库中。
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