CN109445390A - 一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置 - Google Patents

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张明理
邓鑫阳
高靖
张子信
王春生
李占军
史喆
许鉴
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Abstract

本发明提供一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，涉及智能型蓄电池组在线监测技术领域。该监测装置包括MCU核心模块、ZigBee通讯模块、人机交互模块；MCU核心模块完成设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理；ZigBee通讯模块通过ZigBee无线网络接收由现场集中采集装置发送的采集指令，并接收MCU处理器发送的指令，将MCU处理器处理后数据传输给现场集中采集装置；人机交互模块完成监测装置参数的设定输入及监测数据实时显示输出。本发明通过采用ZigBee协议组建个域无线网络，实现现场多个在线监测装置与集中采集装置短距离通讯，稳定性高，精确可靠，性能优异，操作灵活简便。

Description

一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置
技术领域
本发明涉及智能型蓄电池组在线监测技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置。
背景技术
现有热电联产机组在线监测装置通常采用485总线线缆实现与采集传感器及上位机的通信连接，即所有热电联产机组关键设备上安装的数据采集传感器与在线监测装置之间采用有线方式连接，而在线监测装置与集中采集装置(采集终端或上位机)之间也采用有线网络连接(TCP/IP协议以太网)进行通讯。这种生产现场采用485线缆进行数据采集传输的方式，在部署及使用上存在一些缺陷。比如，对现有热电联产机组进行传感器布线比较繁琐，难度大、效率低、成本高等，既影响美观，又耗时耗力。并且，以往采用16位单片机作为在线监测装置中的MCU，其数据分析处理能力不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，能够在生产现场局域范围内，通过采用ZigBee协议组建个域无线网络，实现现场多个在线监测装置与集中采集装置短距离通讯，并且能从硬件及系统底层提高监测装置的数据分析处理能力。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，包括MCU核心模块、ZigBee通讯模块、人机交互模块；
MCU核心模块，作为整个装置的控制运算中心，用于完成整个监测装置的设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理，包括MCU处理器和存储器；存储器用于存储内嵌的程序指令；MCU处理器执行内嵌的程序指令，用于对采集的机组实时运行数据进行分类、格式化、精度处理、合理性判断，如果数据值不在设定的阈值参数范围内，则通过设备的扬声器及LED灯进行声光报警；机组实时运行数据包括热电联产机组发电量、热负荷、供热蒸汽压力、蒸汽温度、供汽流量、入炉煤量；对上述数据分析、处理完成后，MCU处理器控制人机交互模块显示监测过程中的相关信息，同时，MCU处理器控制存储器对处理后的热电联产机组运行数据按时间顺序进行归档保存；MCU处理器上设置有采集接口、串行总线接口、液晶数据接口，均通过UART串行总线分别与数据采集模块、ZigBee通讯模块、人机交互模块连接，进行装置内部的串行通信；
ZigBee通讯模块，一方面用于通过ZigBee无线网络接收由现场集中采集装置发送的采集指令，另一方面用于接收MCU处理器发送的指令，通过串行总线接口与MCU处理器进行数据传递，最终将MCU处理器处理后的数据传输给现场集中采集装置；
人机交互模块，用于完成监测装置参数的设定输入及监测数据的实时显示输出，包括LCD显示模块和键盘输入模块；LCD显示模块采用LCD液晶显示屏，通过UART串行总线与液晶数据接口连接，用于在MCU处理器的控制下显示监测过程中的相关信息，包括显示启动界面、实时监测数据、历史数据查询、监测数据曲线图、数据越限报警信息；键盘输入模块为采用I2C总线接口设计的键盘模块，是用于完成对装置的阈值参数、网络通讯参数、显示模式设置、历史数据翻阅、报警记录查询的人机交互输入设备，按照按键功能定义LCD显示模块显示的数据。
进一步地，所述MCU处理器采用ARM架构及嵌入式Linux操作系统，存储器采用64MNAND Flash和64M SDRAM。
进一步地，所述ZigBee通讯模块包括ZigBee通讯芯片、射频开关、功率放大设备、天线，由天线接收变电站内部部署在机组关键位置的ZigBee无线传感器发出的基于ZigBee协议的无线电信号，通过射频开关以及功率放大设备，将接收到的无线电信号进行接收后发送给ZigBee通讯芯片，ZigBee通讯芯片将数据识别并解析出传感器地址、数据类型、数据精度后，通过串行总线接口将识别并处理后的数据发送给MCU处理器。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，在完成热电联产机组运行状态监测、分析、报警的同时，使用ZigBee个域无线网络技术传输，摒弃了热电联产机组监测单元与集中采集装置连接485布线的繁杂工作，实现装置的快速、安全、高效部署；同时本监测装置采用ARM架构高性能处理器及嵌入式Linux操作系统，从硬件及系统底层提高了监测装置的数据分析处理能力，解决了以往采用16位单片机作为MCU所体现的数据分析处理能力不足的问题，并且稳定性极高，精确可靠，性能优异，操作灵活简便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的整体装置结构原理示意图；
图2为本发明实施例提供的监测装置内部组成结构框图；
图3为本发明实施例提供的ZigBee通讯模块框架示意图；
图4为本发明实施例提供的显示面板外观示意图。
图中：1、热电联产机组，2、监测装置，3、ZigBee无线网络，4、集中采集装置，5、有线网络，6、监测主站，7、远端监控中心主机，8、NAND Flash存储器，9、SDRAM存储器，10、MCU处理器，11、UART串行总线，12、ZigBee通讯模块，13、人机交互模块，14、监测面板，15、LCD液晶显示屏，16、输入键盘(上、下、左、右、确认)。
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。
本实施例提供一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，如图1所示，所述的基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置2是整个热电联产机组工作状态监测系统的一个关键单元，负责现场采集机组运行数据(电量、功率、蒸汽温度、蒸汽流量、蒸汽压力等等)，作为热电联产机组现场数据处理分析及控制的核心单元，通过ZigBee无线通讯网络与集中采集装置4连接，集中采集装置4对数据分析处理后，通过有线网络发送给监测主站6和远端监控中心主机7。
基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置2是一个ARM架构MCU的嵌入式设备，包括MCU核心模块、ZigBee通讯模块12、人机交互模块13。这些模块组成了一个基于ARM9架构的全功能嵌入式系统，该嵌入式系统在热电联产机组生产现场完成关键数据采集和ZigBee无线网络上传，同时具有优异的人机交互界面，让热电机组关键位置的采集信息可以实时在装置LCD上显示。
MCU核心模块，作为整个装置的控制运算中心，用于完成整个监测装置的设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理，包括MCU处理器10和存储器。存储器采用64MNAND Flash存储器8和64M SDRAM存储器9，用于存储内嵌的程序指令。MCU处理器10采用ARM架构及嵌入式Linux操作系统，通过C语言编写的嵌入式软件及算法，比51系列单片机处理及控制能力有了极大的提升，可以更高性能的处理和存储数据。MCU处理器10执行内嵌的程序指令，用于对采集的机组实时运行数据进行分类、格式化、精度处理、合理性判断，如果数据值不在设定的阈值参数范围内，则通过设备的扬声器及LED灯进行声光报警。机组实时运行数据包括热电联产机组发电量、热负荷、供热蒸汽压力、蒸汽温度、供汽流量、入炉煤量。对上述数据分析、处理完成后，MCU处理器10控制人机交互模块12显示监测过程中的相关信息，同时，MCU处理器10控制存储器对处理后的热电联产机组运行数据按时间顺序进行归档保存。MCU处理器10上设置有串行总线接口、液晶数据接口，均通过UART串行总线11分别与ZigBee通讯模块12、人机交互模块13连接，进行装置内部的串行通信，UART串行总线11是连接MCU处理器10及外部I/O模块的桥梁。如图2所示，为监测装置内部组成结构，其中的SPIFlash是非易失性存储介质，是存储器的一种，用于保存历史数据。
综合考虑监测单元功能、可扩展性、功耗等因素，本实施例选择三星公司的S3C2440系列ARM芯片作为系统的主控CPU，操作系统选用嵌入式Linux，定制内核后移植到控制器硬件平台。NAND Flash存储器8选择三星公司的K9F1208U0B芯片。
ZigBee通讯模块12，一方面用于通过ZigBee无线网络3接收由现场集中采集装置4发送的采集指令，另一方面用于接收MCU处理器10发送的指令，通过串行总线接口与MCU处理器10进行数据传递，最终将MCU处理器10处理后的数据传输给现场集中采集装置4。
ZigBee通讯模块12包括ZigBee通讯芯片、射频开关、功率放大设备、天线，由天线接收变电站内部部署在机组关键位置的ZigBee无线传感器发出的基于ZigBee协议的无线电信号，通过射频开关以及功率放大设备，将接收到的无线电信号进行接收后发送给ZigBee通讯芯片，ZigBee通讯芯片将数据识别并解析出传感器地址、数据类型、数据精度后，通过串行总线接口将识别并处理后的数据发送给MCU处理器10。
ZigBee的簇状网络综合了星型和网状结构的特点，本实施例中热电联产机组工作状态监测系统的ZigBee传感器节点组成簇状网络，使得现场采集控制系统具有良好的可扩展性，对于大型热电厂和多机组热电厂，可以通过增加路由节点来扩大网络覆盖范围。本实施例中，ZigBee通讯模块12选用Chipcon公司的CC2430芯片，CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含A/D转换器、定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2430通讯模块是采用的高性能个域无线网络通信芯片，内嵌了ZigBee通讯协议栈，负责变电站内部无线传感器数据的接收工作。
如图3所示，为ZigBee通讯模块12框架，是包括选用的CC2430ZigBee通讯芯片在内的通讯模块及周边器件通讯原理图。首先，由天线接收到变电站内部的基于ZigBee协议的无线电信号，通过射频开关以及功率放大设备，将接收到的无线电信号进行处理然后送给CC2430芯片，CC2430芯片将数据识别并处理后，通过本监测装置2的UART串行通讯接口将接收到的数据发送给MCU处理器10，通过嵌入式程序对数据进行识别及处理。
人机交互模块13，用于完成监测装置参数的设定输入及监测数据的实时显示输出，包括LCD显示模块和键盘输入模块。LCD显示模块采用3.5英寸的LCD液晶显示屏15，通过UART串行总线11与液晶数据接口连接，用于在MCU处理器10的控制下显示监测过程中的相关信息，包括显示启动界面、实时监测数据、历史数据查询、监测数据曲线图、数据越限报警信息。键盘输入模块为采用I2C总线接口设计的键盘16，是用于完成对装置的阈值参数、网络通讯参数、显示模式设置、历史数据翻阅、报警记录查询的人机交互输入设备，按照键盘16的按键功能定义LCD液晶显示屏15显示的数据。
如图4所示，为本实施例监测装置2的监测面板14外观示意图，是阐述设备面板外观特征的，由金属材料制成，面板14上包括LCD显示屏15和输入键盘16等组件，其中键盘为五键式键盘机(上、下、左、右、确认)。
本实施例提供的基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置2在具体实施中，经由部署在热电联产机组1的关键位置的传感器采集到的数据通过该监测装置2的内部串行总线UART传输给MCU处理器10，MCU处理器10负责将数据进行分析、处理，根据内嵌的程序指令，判断该数据是否在合理的运行范围内，如果数据超出预设范围，则报警。ZigBee通讯模块12负责将MCU处理器10处理后的信息实时传输给集中采集装置4。以上所述实时数据，在内部程序处理完成后，MCU处理器10将其显示在LCD液晶显示屏15上，由于采集数据较多，要进行分屏滚动显示。上述数据显示的同时，MCU处理器10控制存储芯片Flash进行数据的归档保存。
集中采集装置4将本地监测装置2的采集数据透过有线网络5传输给远端监测主站和监测中心主机的上位机软件。上位机软件要继续对数据进行分析及存储，并生成更加人性化的报表、曲线、图标等统计分析结果。
本实施例提供的基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，使用ZigBee个域无线网络技术传输，摒弃了热电联产机组监测单元与集中采集装置连接485布线的繁杂工作，实现装置的快速、安全、高效部署；同时本监测装置采用ARM架构高性能处理器及嵌入式Linux操作系统，从硬件及系统底层提高了监测装置的数据分析处理能力，解决了以往采用16位单片机作为MCU所体现的数据分析处理能力不足的问题，并且稳定性极高，精确可靠，性能优异，操作灵活简便。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，其特征在于：包括MCU核心模块、ZigBee通讯模块、人机交互模块；
MCU核心模块，作为整个装置的控制运算中心，用于完成整个监测装置的设备控制、任务调度、协议转换、数据通讯和数据管理，包括MCU处理器和存储器；存储器用于存储内嵌的程序指令；MCU处理器执行内嵌的程序指令，用于对采集的机组实时运行数据进行分类、格式化、精度处理、合理性判断，如果数据值不在设定的阈值参数范围内，则通过设备的扬声器及LED灯进行声光报警；机组实时运行数据包括热电联产机组发电量、热负荷、供热蒸汽压力、蒸汽温度、供汽流量、入炉煤量；对上述数据分析、处理完成后，MCU处理器控制人机交互模块显示监测过程中的相关信息，同时，MCU处理器控制存储器对处理后的热电联产机组运行数据按时间顺序进行归档保存；MCU处理器上设置有采集接口、串行总线接口、液晶数据接口，均通过UART串行总线分别与数据采集模块、ZigBee通讯模块、人机交互模块连接，进行装置内部的串行通信；
ZigBee通讯模块，一方面用于通过ZigBee无线网络接收由现场集中采集装置发送的采集指令，另一方面用于接收MCU处理器发送的指令，通过串行总线接口与MCU处理器进行数据传递，最终将MCU处理器处理后的数据传输给现场集中采集装置；
人机交互模块，用于完成监测装置参数的设定输入及监测数据的实时显示输出，包括LCD显示模块和键盘输入模块；LCD显示模块采用LCD液晶显示屏，通过UART串行总线与液晶数据接口连接，用于在MCU处理器的控制下显示监测过程中的相关信息，包括显示启动界面、实时监测数据、历史数据查询、监测数据曲线图、数据越限报警信息；键盘输入模块为采用I2C总线接口设计的键盘模块，是用于完成对装置的阈值参数、网络通讯参数、显示模式设置、历史数据翻阅、报警记录查询的人机交互输入设备，按照按键功能定义LCD显示模块显示的数据。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，其特征在于：所述MCU处理器采用ARM架构及嵌入式Linux操作系统，存储器采用64M NAND Flash和64M SDRAM。
3.根据权利要求1或2所述的基于ZigBee无线技术的热电联产机组在线监测装置，其特征在于：所述ZigBee通讯模块包括ZigBee通讯芯片、射频开关、功率放大设备、天线，由天线接收变电站内部部署在机组关键位置的ZigBee无线传感器发出的基于ZigBee协议的无线电信号，通过射频开关以及功率放大设备，将接收到的无线电信号进行接收后发送给ZigBee通讯芯片，ZigBee通讯芯片将数据识别并解析出传感器地址、数据类型、数据精度后，通过串行总线接口将识别并处理后的数据发送给MCU处理器。
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