CN203366079U - 基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种实现基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统。该系统包括PLC数据采集模块、单片机控制器模块、ZigBee通信模块、ARM处理器模块和LCD显示器。若干所述PLC数据采集模块分别各经单片机控制器模块和ZigBee通信模块后在汇集经过一个ZigBee通信模块，然后连接ARM处理器模块，ARM处理器模块连接LCD显示器；所述单片机控制器模块和PLC数据采集模块连接，实现单片机对ARM的数据传输。通过PLC向ARM的数据传输，同时结合低功耗、高稳定性、抗干扰能力强的ZigBee无线传输技术，从而能够很好的解决传输数据安全的问题；通过ZigBee无线传输协议将数据传送到便携式手持终端ARM上来实现实时监控的目的；通过ARM对内建存储与处理模块，对检测得到的数据进行分析处理工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及ZigBee技术和手持终端在工业PLC中的相关应用，具体涉及一种基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统。
背景技术
PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。随着国民经济的不断发展，科学技术不断的发展和提高，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。由于PLC的使用广泛，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，因此将PLC输出的数据传输到移动终端进行实时的查看已成为工业智能的必然趋势。
但是尽管PLC系统的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，就要对PLC系统的实时监测性。
因此，针对上述问题是本发明的研究目的。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，实现PLC向ARM的数据传输，并同时结合低功耗、高稳定性、抗干扰能力强的ZigBee无线传输技术，从而能够很好的解决因生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当而造成的程序错误或运算错误等问题,同时实现对系统的实时监测性。
为达到上诉目的，本实用新型的特征在于:一种实现通过ZigBee技术PLC向ARM的数据传输的系统。它包括一个单片机、ARM和ZigBee模块。ARM模块连接单片机模块、ZigBee模块及数据处理子模块；而单片机模块和PLC数据采集模块连接，从而实现单片机对ARM的数据传输；使用开发的相应应用程序显示PLC的运行状态，并对其进行一定的数据保存；再通过ARM对内建存储与处理模块，结合数据处理子模块，对检测得到的数据进行简单的分析处理工作。
根据上述实用新型构思，本实用新型采用下述技术方案：
一种基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，包括PLC数据采集模块、单片机控制器模块、ZigBee通信模块、ARM处理器模块和LCD显示器。其特征在于：若干所述PLC数据采集模块分别各经单片机控制器模块和ZigBee通信模块后在汇集经过一个ZigBee通信模块，然后连接ARM处理器模块，该ARM处理器模块连接所述LCD显示器；所述单片机控制器模块和PLC数据采集模块连接，实现单片机对ARM的数据传输；通过ARM对内建存储与处理，对检测得到的数据进行简单的分析处理工作。
所述的ARM处理器模块是基于核心移动嵌入式处理器——S3C2440和核心控制芯片——CC2530。其中S3C2440是一款基于ARM 920T的16／32位RISC微处理器，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。S3C2440杰出特点是其核心处理器，ARM920T实现了MMU，AMBA，BUS和Harvard高速缓冲体系结构。同时为降低成本，S3C2440采用新型总线架构AMBA，0.13UM COMS标准宏单元和存储单元。其低功耗、简单、优雅，且全静态设计特别适合对成本和功率敏感型的应用，主要用于手持消费类设备，比如MP4、电子书等多媒体产品应用设计；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 和许多其他强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本——CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack??），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。
所述的ZigBee模块在PLC能采集到数据的基础上进行。其中，已实现的功能模块包括PLC数据的输出；而当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。同时作为一种低速短距离传输的无线网络协定，其底层采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
所述的PLC数据采集模块，包括1：开关量的采集，通过PLC输入模块实现，一般都是直流24V输入，PLC提供一个公共点，或正或负，再将这个公共点接入限位开关等设备中，当限位闭合时，形成通路，将信号引入PLC输入点，此时PLC里面这个输入点就通了，可以在编程时使用；2：模拟理的采集，通过模拟量模块，A/D（模拟量/数字量）模块，可以将外面的重量信号，温度信号、压力信号等引入，A/D模块能接受的信号是0-10V，0-5V，-5-5V电压信号及0-20mA，4-20mA电流信号，如果终端采集模块得到的信号不是这些标准信号，还要通过变送器转换一下，标准信号进入A/D模块后，就会由A/D转换成数字，这些转换后的数字量，可由程序使用，进行转换，处理，最后得到所需要的数据显示出来。
所述的单片机控制器模块采用ATMEL公司推出的AT89Cxx系列兼容C51的单片机，其核心芯片为AT89C51。该单片机完美地将Flash(非易失闪存技术)EEPROM与80C51内核结合起来，仍采用C51的总体结构和指令系统，Flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。
所述的数据处理子模块主要是通过ARM对内建存储与处理模块，对检测得到的数据进行简单分析处理工作。
一种基于ZigBee协议的工业便携式实时监控方法，采用上述系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：1）数据传输、2）数据收集、3）数据中断显示。
所述的实现基于ZigBee协议的工业便携式实时监控方法，其特征在于：所述步骤1）数据传输具体操作是：初始化，然后新建一个网络，并显示相应的网络ID和通道编号，之后开始无线检测，若发现无线信号，则显示相应的网络ID号。
所述的实现基于ZigBee协议的工业便携式实时监控方法，其特征在于：所述步骤2）数据收集的具体操作是：初始化，然后发送信号并连接到网络，判断是否成功连接，若是，则接下来判断是否成功从PLC读取数据，若是，则可开始传输数据，否则重新发送信号进行网络连接。
所述的实现基于ZigBee协议的工业便携式实时监控方法，其特征在于：所述步骤3）数据中断显示的具体操作是：初始化，发送通道请求后判断是否成功获取数据，若是则在终端显示获取的相关数据，否则重新发送请求。
本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：
本实用新型使用了ZigBee模块。当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。其主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。本发明中用到单片机与ARM通过ZigBee无线通信是运用在短距离传输中，而且发送端为单片机，接收端为ARM，通过ZigBee能够实现无线数据发送，并且ZigBee低功耗、高稳定性、抗干扰能力强，对发送数据的稳定性有很好的保证。特别是当生产环境过于恶劣，比如特别强烈的电磁干扰、安装使用不当等，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行；但是通过引入ZigBee技术，就能实现对PLC系统的实时监测性，避免上述情况的发生。
移动终端的使用：当前工业PLC中大多使用工业PC机在PLC周围进行操控管理，但是在环境稍微恶劣点的地方就容易对操作者的身体产生不利的影响，因此移动终端的引入能够很好的解决这一问题，实现其便携性。
附图说明
图1是本实用新型系统总体结构框图,
图2是ZigBee模块原理图,
图3是ZigBee基板电路图，
图4电源开关部分和串口硬件部分电路图,
图5是单片机模块原理图,
图6是ARM模块原理图（S3C2440结构图，
图7是数据传输模块流程图，
图8是数据收集模块流程图，
图9是数据终端显示模块流程图。
具体实施方式
本实用新型的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
如图1所示，本基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，包括PLC数据采集模块、单片机控制器模块、ZigBee通信模块、ARM处理器模块和LCD显示器。其特征在于：若干所述PLC数据采集模块分别各经单片机控制器模块和ZigBee通信模块后在汇集经过一个ZigBee通信模块，然后连接ARM处理器模块，该ARM处理器模块连接所述LCD显示器；所述单片机控制器模块和PLC数据采集模块连接，实现单片机对ARM的数据传输；通过ARM对内建存储与处理，对检测得到的数据进行简单的分析处理工作。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：所述的实现基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，其特征在于：所述ARM处理器模块（4）是基于核心移动嵌入式处理器——S3C2440和核心控制芯片CC2530，其中S3C2440是一款基于ARM 920T的16／32位的便携式可手持的RISC微处理器；所述的实现基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，其特征在于所述PLC数据采集模块（1），由PLC输入模块和模拟量模块组成，其中PLC模块实现开关量的采集，模拟量模块实现模拟量的采集。
本系统的硬件系统有如下特点：
1、 ZigBee模块的使用：当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。其主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。项目中用到单片机与ARM通过ZigBee无线通信是运用在短距离传输中，而且发送端为单片机，接收端为ARM，通过ZigBee能够实现无线数据发送，并且ZigBee低功耗、高稳定性、抗干扰能力强，对发送数据的稳定性有很好的保证。
2、 移动终端的使用：当前工业PLC中大多使用工业PC机在PLC周围进行操控管理，但是在环境稍微恶劣点的地方就容易对操作者的身体产生不利的影响，因此移动终端的引入能够很好的解决这一问题。
3、 采用基于核心移动嵌入式处理器——S3C2440和核心控制芯片——CC2530。其中S3C2440是一款基于ARM 920T的16／32位RISC微处理器，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。其低功耗、简单、优雅，且全静态设计特别适合对成本和功率敏感型的应用；而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 和许多其他强大的功能。同时CC2530F256还结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack??），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
<一>、ARM模块
ARM模块是基于核心移动嵌入式处理器——S3C2440和核心控制芯片——CC2530。其中S3C2440是一款基于ARM 920T的16／32位RISC微处理器，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。S3C2440杰出特点是其核心处理器，ARM920T实现了MMU，AMBA，BUS和Harvard高速缓冲体系结构。同时为降低成本，S3C2440采用新型总线架构AMBA，0.13UM COMS标准宏单元和存储单元。其低功耗、简单、优雅，且全静态设计特别适合对成本和功率敏感型的应用，主要用于手持消费类设备，比如MP4、电子书等多媒体产品应用设计；而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 和许多其他强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本——CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530F256 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack??），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。
<二>、PLC数据采集模块
PLC数据采集模块，包括1：开关量的采集，通过PLC输入模块实现，一般都是直流24V输入，PLC提供一个公共点，或正或负，再将这个公共点接入限位开关等设备中，当限位闭合时，形成通路，将信号引入PLC输入点，此时PLC里面这个输入点就通了，可以在编程时使用；2：模拟理的采集，通过模拟量模块，A/D（模拟量/数字量）模块，可以将外面的重量信号，温度信号、压力信号等引入，A/D模块能接受的信号是0-10V，0-5V，-5-5V电压信号及0-20MA，4-20MA电流信号，如果终端采集模块得到的信号不是这些标准信号，还要通过变送器转换一下，标准信号进入A/D模块后，就会由A/D转换成数字，这些转换后的数字量，可由程序使用，进行转换，处理，最后得到所需要的数据显示出来。
<三>、ZigBee模块
ZigBee模块在PLC能采集到数据的基础上进行。其中，已实现的功能模块包括PLC数据的输出；而当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。如图2、3、4所示。
<四>、单片机模块
如图5所示，单片机模块采用ATMEL公司推出的AT89Cxx系列兼容C51的单片机，其核心芯片为AT89C51。该单片机完美地将Flash(非易失闪存技术)EEPROM与80C51内核结合起来，仍采用C51的总体结构和指令系统，Flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。
<五 >、数据处理子模块
数据处理子模块主要是通过ARM对内建存储与处理模块，对检测得到的数据进行简单分析处理工作。
实施例四：
本基于ZigBee协议的工业便携式实时监控方法，采用上述系统进行操作，其特征在于操作步骤如下：1）数据传输、2）数据收集、3）数据中断显示。
实施例五：
本实施例与实施例四基本相同，特别之处如下：
参见图7，所述步骤1）数据传输具体操作是：初始化，然后新建一个网络，并显示相应的网络ID和通道编号，之后开始无线检测，若发现无线信号，则显示相应的网络ID号。
参见图8，所述步骤2）数据收集的具体操作是：初始化，然后发送信号并连接到网络，判断是否成功连接，若是，则接下来判断是否成功从PLC读取数据，若是，则可开始传输数据，否则重新发送信号进行网络连接。
参见图9，所述步骤3）数据中断显示的具体操作是：初始化，发送通道请求后判断是否成功获取数据，若是则在终端显示获取的相关数据，否则重新发送请求。
Claims (3)
1.一种基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，包括PLC数据采集模块（1）、单片机控制器模块（2）、ZigBee通信模块（3）、ARM处理器模块（4）和LCD显示器（5），其特征在于：若干所述PLC数据采集模块（1）分别各经单片机控制器模块（2）和ZigBee通信模块（3）后在汇集经过一个ZigBee通信模块，然后连接ARM处理器模块（4），该ARM处理器模块（4）连接所述LCD显示器（5）；所述单片机控制器模块（2）和PLC数据采集模块（1）连接，实现单片机对ARM的数据传输；通过ARM对内建存储与处理，对检测得到的数据进行简单的分析处理工作。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，其特征在于：所述ARM处理器模块（4）是基于核心移动嵌入式处理器——S3C2440和核心控制芯片CC2530，其中S3C2440是一款基于ARM 920T的16／32位的便携式可手持的RISC微处理器。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee协议的工业便携式实时监控系统，其特征在于所述PLC数据采集模块（1），由PLC输入模块和模拟量模块组成，其中PLC模块实现开关量的采集，模拟量模块实现模拟量的采集。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131225 Termination date: 20150419 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |