基于ZigBee的現(xiàn)場安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)
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3．4 應(yīng)用程序的設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般需要解決數(shù)據(jù)碰撞及網(wǎng)絡(luò)地址分配等問題，這樣才能使整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定工作，數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確傳輸。特別是以ZC為終點的無線通信，很可能因在同一時間內(nèi)接收多個ZR或ZED的數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)丟幀。為了使數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確無丟失地在ZC、ZR和ZED之間相互傳輸，系統(tǒng)采用了“時間片輪轉(zhuǎn)法”使各ZigBee設(shè)備分時發(fā)送數(shù)據(jù)。整個網(wǎng)絡(luò)中共有11個ZigBee設(shè)備，其中ZC除了短暫的發(fā)送監(jiān)控命令外，大部分時間是接收4個ZR轉(zhuǎn)發(fā)的LQI值和來自6個ZED的溫度采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)定1 s為整個網(wǎng)絡(luò)的工作周期，期間ZC需接收來自ZR和ZED共10個設(shè)備的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)溫度監(jiān)控與空間定位的功能。因此，每個ZR或ZED各有100 ms的發(fā)送時間，均須在預(yù)定的100 ms內(nèi)完成數(shù)據(jù)成功發(fā)送任務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)地址的分配一般以通信便捷和節(jié)省字節(jié)開銷為佳。在溫度監(jiān)控的Star網(wǎng)絡(luò)中，ZC須同時能夠與6個ZED的任意一個或多個進(jìn)行雙向通信；而在空間定位的Mesh網(wǎng)絡(luò)中，ZC采取主動的廣播通信方式向各ZR發(fā)送提取LQI命令，隨后4個ZR輪流在各自的100 ms內(nèi)完成發(fā)送LQI的工作。針對這種情況，系統(tǒng)采用了以1個char(8位)類型的字節(jié)來制定網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的地址：由于各ZED需可同時工作，故用Bit0～Bit5分別對應(yīng)ZEDl～ZED6；而4個ZR是輪流在各自100 ms內(nèi)工作，所以采取Bit6、Bit7兩位的組合0O、01、10及11來對應(yīng)ZRl～ZR4。
3．5 上位機VB程序的設(shè)計
系統(tǒng)利用MCl3213的兩組SCI接口分別設(shè)計了經(jīng)SP3220E轉(zhuǎn)換的RS-232真實串口和經(jīng)FT232BL轉(zhuǎn)換的虛擬串口(此時已不是真實意義上的USB接口了)，所以兩者都需以RS-232串口通信協(xié)議與PC上位機程序進(jìn)行雙向通信。具體實現(xiàn)功能如下：
①時間同步功能。使用Timer控件來給系統(tǒng)運行提供時間刻度，以便記錄事件發(fā)生的實時時間。在監(jiān)控軟件上，既可選擇PC機的時間，也可自主設(shè)定起始運行時間。
②空間定位功能。主要是基于定位公式編寫程序，使各ZED的空間坐標(biāo)能夠?qū)崟r地在上位機監(jiān)控界面上顯示。
③溫度監(jiān)控功能。實現(xiàn)ZED的溫度信息傳送至ZC，被上位機提取與運算并在監(jiān)控界面上顯示；同時，通過監(jiān)控軟件配置各類控制參數(shù)，并反向發(fā)送給ZED。
④事件發(fā)生的信息記錄功能。為了保存溫度事件發(fā)生的現(xiàn)場信息，監(jiān)控軟件利用了CommonDiatog控件將相關(guān)信息寫入一個txt文件中，并能自主選擇tXt保存的目錄。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/157108.htm
4 實驗數(shù)據(jù)分析及總結(jié)
為了驗證性能及參數(shù)指標(biāo)，選擇了一棟58 m×26 m×23．5 m的生產(chǎn)廠房作為實驗基地，將4個ZR分別放置在A(55，O，O)、B(0，25，O)、C(O，O，20)及D(O，0，O)從而建立空間坐標(biāo)系，而將6個ZED移動地分別放在各個車間里進(jìn)行測試采集數(shù)據(jù)。
4．1 溫度監(jiān)測
為了驗證溫度監(jiān)控的準(zhǔn)確性及有效精度，在相應(yīng)車間內(nèi)放置了一個精度為O．1℃的工業(yè)溫度計，測量到的實際溫度來作為ZED測溫的參考。測量溫度和實際溫度的比較如表2所列。
由表2可知：溫度監(jiān)控系統(tǒng)誤差小、精度高，最大絕對誤差為+O．175℃，最大相對誤差為O．738％，符合現(xiàn)場安全溫度監(jiān)控的要求。
表2的溫度絕對誤差都是正數(shù)，說明測量溫度均偏高。其主要原因是，LM75A是焊接在PCB板上的，芯片要正常工作就需消耗電能，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量難以散失；同時，板上元器件布局不合理，使得其他器件產(chǎn)生的熱量也傳向LM75A，所以實測溫度比現(xiàn)場室溫偏高。
4．2 空間定位
在監(jiān)控軟件上獲得的各ZED坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)的同時，利用皮尺等工具測量對應(yīng)的坐標(biāo)長度作為空問定位的對比?？臻g定位與實際位置的關(guān)系如圖6所示。
可見，空間定位的誤差較小，最大的定位誤差為ZED3的1．1045m，在工程的允許范圍內(nèi)，達(dá)到了系統(tǒng)對溫度事件的定位目標(biāo)。利用LQI進(jìn)行空間定位，從本質(zhì)上講是基于能量法的。圖5的LQI-d曲線數(shù)據(jù)是在戶外理想狀態(tài)下測得的，而生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，無線通信常受到障礙物影響，因此難免有所誤差。另外，由于RF收發(fā)天線不是嚴(yán)格意義上的全向，因此在相同距離而位于不同方向時所接收的LQI值也有所差別。
結(jié)語
本文設(shè)計了基于ZigBee的生產(chǎn)現(xiàn)場安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)，提出了三要素(溫度監(jiān)測、時間記錄及空間定位)全方位設(shè)計理念，介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件及上位機監(jiān)控程序的設(shè)計方法。測試表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、功能完善、運行穩(wěn)定及性價比高等優(yōu)點，有一定的實用價值。若將本系統(tǒng)的RS-232／USB進(jìn)一步擴展到GPRS或Internet，并與生產(chǎn)現(xiàn)場總控制室相連，則系統(tǒng)的功能和使用范圍都將得到很大的拓寬。
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