一种基于嵌入式系统和ZigBee的工业实时测量与监控系统的设计外文翻译资料

 2021-12-27 09:12

一种基于嵌入式系统和ZigBee的工业实时测量与监控系统的设计

摘要：

随着工厂自动化程度的提高，工厂的地板上布满了机器。挤满机器的空间对操作人员来说更加困难和危险。本系统试图利用ZigBee嵌入式系统提高工业安全质量。该系统除了具备典型现有的监控功能外，还利用ZigBee无线传输技术进行远程监控。该系统工业应用的测量项目包括长度筛选、地面振动感知、重量分级、电力感知、能量监测、温度监测和二氧化碳浓度。我们将ZigBee与嵌入式系统相结合应用于工业实时测量是一项创新技术。在本研究中，除了讨论系统平台之外，我们还讨论了测量数据的统计和分析。利用该系统进行有线和无线同步测量和监控，可以实现正确、高效的工业监控操作。

简介

由于工业的发展，越来越多的工厂被建造了。然而，安全问题也在增加，例如设备故障、人为失误和自然灾害只是其中的几个例子。这些因素造成的危害和破坏越来越普遍，因此，工厂安全已成为近年来一直强调的话题。

对个人安全态度进行调查，强调人为因素和认识的特点，改善人员和上级之间的沟通，不能完全解决安全问题。在本研究中，我们使用信号处理将多个传感器接收到的模拟信号转换成多个数字信号，然后对信号进行标准化。采用DAQ进行有线传输，采用LABVIEW程序设计进行功能监控；ZigBee用于无线传输，将所有独立的传感器信号集成到接口中，实现集中和实时控制。集中管理可以节约人力，提高效率，大大降低工业安全成本；通过网络传输实现监测和处理，提高了工业安全的安全性和效率。

文献调查

Miroslav Sveda (Ou, Chung, Sung， amp; Chung, 2006)以局域网为基础介绍了工业传感器的应用，然后结合基于案例的推理(CBR)来使用这个概念来保护设备。Giuseppe(2002)认为产品质量需要一致，不同的假设确定了测量的中心值范围。因此，他主张需要进行额外的测量，并考虑所有的范围分布，以便使这些有效的过程标准化和国际化，并得出明确的结论。Stuchly和Bassey(1998)提出了一种利用微传感器进行工业测量的概念，讨论了带有传感器的传输线的基本电磁波特性和工业应用的原理。除提出DAQ应用外，Kochan, Kochan, Sachenko和Tur-chenko(2005)还展示了噪声阈值和ADC处理工业测量的实验结果。Wiran-di, Kulesza, 和 Lauber(2004)提出了一种可靠的在线工业自动测量系统，改进了侧移过程和产品质量分析，表明人的因素不可忽视，测量过程可以完全自动化。Misgra, Panda, and Das(2005)提出了一种更简单的设计和开发基于一种LVD传感器系统的方法，其主要目的是扩大线性调节范围，并与神经网络结合使用，克服手动调节的困难；Mishra也使用计算机产生实际的模拟数据。Ford, Weissbach, 和Loker(2000)考虑到由于信号处理的复杂性，LNDT在商业上使用的困难，因此开发了一个使用双边带抑制载波(DSBSC-AM)的通信系统来改进这个问题。Ford等人利用输入到LVDT的SIN波来传输信号，并通过一个用于将这些信号处理成数字信号的平台来接收这些信号。通过该系统将信号处理成最优信号，解决了信号处理的复杂性，增加了线性调节范围，减少了手动调节的难度。Drumea, Vasilem, Comes和Blejan(2006)认为LVDT可以用于液压、压力和电子机械的测量，也可以用于动力的错位；LVDT具有相当广泛的用途，并且是也相对准确（0.1％误差）和低损耗。 然而，输入一个来自方波发生器的5 kHZ SIN波，然后输出同步信号解调的信号处理方法相对复杂。因此，Drumea和Vasile建议使用MSP430F149芯片作为LVDT的信号调节器来改善这一问题；该芯片还具有附加功能，例如提供串行通信和故障测试。Saxena和Lal seksena（2000年）提出了一个类型补偿LVDT。实验结果表现高敏感生产产生的变化和高线性生产产生的变化在外部环境的影响下是不过分的；该系统实际上提供了温度补偿，即使在恶劣的环境中也能保持相对良好的数据传输质量。Flammini, Marioli, Sisinni, and taroni(2007)建议使用LVDT进行速度和加速度的评估。该方法克服了传统转换过程的局限性；该方法还有助于理解计算函数，目前已应用于数字信号处理模块操作(DSP)领域。Kano, Hasebe,and Huang(1989)提出了一种利用LVDT作为直线电机的位置检测方法；这种结构也比通常用于位置检测的结构简单。

系统结构

本系统按运行流程分为三部分：传感器端(LVDT、温湿度、能量监测、CO2浓度、电感)、路由节点(GIO-ZM)、中央监控系统网络服务器主机。本研究的系统框架如图1所示。

传感器终端可配置不同的传感器，实现对所需数据的监控，发挥ZigBee平台的作用。中央数据管理终端由中央主节点GIO-ZM主机和PC机组成；它们可以通过蓝牙或其他无线传输方式实现数据传输。

集成ZigBee嵌入式系统描述

ZigBee的特点

ZigBee是一种短距离、结构简单、低功耗、低传输速率的无线通信技术。它的传输范围为100米，能自由使用900 MHz和2.4 GHz的传输频率。ZigBee的传输速率为20kbps到250kbps；其网络结构具有从属性，可提供和双向通信功能。目前，ZM03使用2.405- 2.480 GHz频率；另外，由于传输速率低，传输的数据量小，收发时间较低。在非工作模式下，ZigBee处于休眠模式。在工作和睡眠模式的转换时间中，正常的睡眠激活时间只需15 ms，设备搜索时间只需30 ms使得ZigBee相当省电。ZigBee的MAC级采用了预备完后在通话的冲突预防机制：在需要的时候立即进行数据传输，每一个发送的数据包都被确认为接收方接收，接收方以确认信息进行响应；如果响应中未接收到确认信息，则会发生冲突，数据包将会被再次发送。该方法大大提高了系统数据传输的可靠性。此外，ZigBee网络最多可以包含255个节点，这使得它具有高度的可扩展性(Lin, Liu， amp; Fang,2007a)。

ZigBee标准设置

ZigBee软件和硬件标准主要由IEEE 802.15.4和ZigBee联盟组织分别制定。物理层(PHY)、媒体存储控制层(MAC)和数据链路层的开发由IEEE负责，ZigBee联盟负责确定系统产品之间的逻辑网络、数据传输加密机制、应用接口规范和通信规范。ZigBee协议结构示意图如图2所示。

在网络层，ZigBee支持星形、树形、网格三种网络框架；节点的角色可分为全功能设备(FFD)和降功能设备(RDF)。与FFD相比，RFD电路更简单，内存更少。FFD节点具有控制器功能，提供数据交换，而RFD只能将数据传输到FFD或从FFD接收数据(Lin, Liu， amp; Fang, 2007b)。

ZigBee与其他无线通信服务的比较

ZigBee与其他无线通信技术相比(图3)，在区域网络和个人网络的无线通信技术方面，802.11系列技术(Wi-Fi)以无线局域网(WLAN)为核心用于数据传输。另一方面，蓝牙、UWB和ZigBee是无线个人区域网络(WPAN)技术。蓝牙标准的传输速率为数百Kbps，适用于数据传输；它还具有用于语音应用程序的QoS机制。UWB(超宽带)具有高速和QoS，适合多媒体应用。ZigBee标准的特点是低功耗、低成本，因此适用于工业、家庭、医疗等领域的控制和传感需求；ZigBee对数据传输速率和QoS的要求不高。另外，对比目前比较流行的蓝牙技术和ZigBee，从图4可以看出ZigBee的功耗远低于蓝牙；由于ZigBee的功耗较低，与蓝牙技术相比其传输速率较低。在网络节点数量扩展灵活性方面，ZigBee由于支持网格拓扑结构，具有很强的范围内扩展能力。

ZigBee的应用领域包括家庭自动化、家庭安全、医院综合医疗、工业自动化。ZigBee可与家电、电子产品、PC外设、传感器等产品配套使用，提供家电传感、无线PC外设控制、家电远程控制等功能(Lin amp; Liu, 1997)。

传感器元件的研究方法

LVDT组件

LVDT(线性变差变压器)由三个环组成，主环N1与副环N2和N3。在主环和副环之间插入可移动棒状铁芯；将交流电压加在一次环N1的输入端，产生二次环N2和N3的磁通量。随着铁芯的移动，N2和N3会感应到不同强度但相同相位的电压。

LVDT是一种通常被用来质量控制中的传感器设备。高灵敏度、高精度、体积小、重量轻、经久耐用，使其适用于任何需要精确测量的场合；由于没有温度和湿度的限制，它的应用范围扩大了。此外，LVDT还用于位移距离的测量，利用了良好的线性度来测量位移距离。压力LVDT也存在，将压力转换成距离运动，然后利用LVDT的规则利用感知电压幅值时来表示施加压力的大小。图5为LVDT结构示意图和传感器电路。

我们的系统使用与LVDT铁芯测量一定长度或振动时产生的变化等效的信号；信号通过放大电路进行放大，输入到有线或无线设备中，然后用于长度和深度测量或振动的精确分级系统。此外，由于本装置本身不需要对LVDT施加额外电压，因此在放大电路中输入12v电压就足够使用；这允许精密制造时的相当小的容量安装。

电流传感组件

本研究中使用的传感器组件是一个电流传感器，通过连接一个LEM HAS 50-S，一种霍尔复合，和一个差分放大器组成。物理学家埃德温H.霍尔(Edwin H. hall)将电流定向到y方向的传导板上，然后对Z方向(面朝自己)施加一个磁场，垂直于电流的方向。此时，带电粒子受到垂直于其X方向的磁力而产生偏移；更强的磁场导致更严重的偏移。偏移导致带电粒子聚集在导电板的边缘，形成一个称为霍尔电压的电位差。这种电压将防止带电粒子的进一步偏移，使它们继续沿直线移动。根据欧姆定律，将水平霍尔电压除以垂直伏特数称为霍尔电阻。磁场越大，霍尔电阻越大。另外，由于霍尔元件基本上是四个端子元件，所以同相电压会在霍尔元件中累积。因此，必须在元件后面安装一个差分放大器，以消除电压并放大输出信号，以便观察。该系统可用于测量电流的存在或控制电流的大小。我们将该电流传感器的测量值设为0.2安培，测量范围可根据需要增加或减少(Chen, Tu, amp; Weng, 1990)。

在本研究中，我们使用电流传感装置通过霍尔元件将感测电流转换为电压信号；信号经放大电路放大后输入有线和无线设备。用一个电源来产生电流，使得霍尔元件LEM HAS 50-S可以感知0-2安培的电流，使其在一定范围内施加传感器电压。传感器电压利用放大电路将被放大到1-5v (Chung, Hsieh,amp; Yeh,2001)。

图6所示为将霍尔元件(LEM HAS 50-S)与差分放大器连接而成的电流传感器。霍尔元件基本上是四个末端组件；在霍尔元件中，同相电压累积。因此，一个不同的放大器必须连接在后面，以消除电压和放大输出信号，便于观察。

ZM04组件

ZM04主要应用于机器对机器的无线通信设备中。在硬件方面，ZM04还提供工业标准的数字信号输出和达灵顿输出和-10v到 10v的模拟信号。802.15.4标准用于无线传输之中；采用网格、星形和树形等灵活的网络拓扑结构，提高了网络的可靠性，满足了不同距离无线应用的需要。ZM04的应用领域包括照明、加热和冷却控制、工业建筑和自动化、医疗、宵禁执行和RFID。

本研究中使用的ZM04采用温度、湿度、CO2传感器构建，可与不同类型的传感器连接，输出0-5V信号；进行模数转换信号处理后数据将会被传输到GIO-ZM接收机上。图7为ZM04组件、GIO-ZM组件和能量监测组件。

GIO-ZM组件

GIO-ZM的规格有：由AMD pcs和CC2430组成的Geode TM集成处理器；它集成了嵌入式系统控制平台和ZigBee无线传输技术及信息控制系统。GIO-ZM采用Windows-XP嵌入式操作系统，支持以太网网络连接功能。GIO-ZM可用于远程数据采集、物流调度控制、后端网页数据库等网络功能。它还可以将不同的拓扑结构或点到点方法简化为每一种形式的短距离网络连接和数据传输。GIO-ZM可以将以太网连接和无线功能结合起来，进行远程无线数据传输和集成，形成整体的无线框架。本研究使用GIO-ZM接收ZM04传输的数据，然后将数据显示在液晶显示器上。

能量监控组件

将负载连接到能量监控器后，能量监控器可显示检测到的电流电压；同时也可以显示和输出功率效率百分比和功率因数。然后使用Labview开发用于监视的固件。通过负载电压、电流和功率因数的观测能力，LabView监控屏可以实现负载的开关(Ou, Chung， amp; Sung, 2006)。

研究方法

系统框图

将传感器(LVDT、电流传感、CO2浓度、能量监测)通过线性IC放大，利用有线设备(DAQ)和无线设备提取信号，利用LabView进行ZigBee嵌入式系统的开发、设计和集成。然后，我们使用有线和无线接口进行监控，也能够用一个七级显示来显示和输出进行标准化之后的信号。图8为本研究的系统框图及集成实验平台。

厚度筛选

该传感器组件是利用LVDT技术开发的，并应用于工业测量项目的厚度筛选。该过滤功能主要用于输送带上货物的厚度要求，作为质量控制的基础。图9(a)中的仪表显示两组数据：标准厚度(cm)和所测项目的厚度。当所测厚度超过标准厚度时，图中指示灯变为红色，表示拒绝；否则，灯就是绿色的。图9(a)右侧功能区用于设置标准厚度。

地面振动感应

该传感元件采用LVD

英语原文共 8 页

资料编号：[3413]

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