基于Zigbee的轮胎成型车间温湿度监控系统设计

李玉峰，陈海军，佟强，郭磊

（软控股份有限公司信息物流系统事业部，山东 青岛 266045）

基于Zigbee的轮胎成型车间温湿度监控系统设计

李玉峰，陈海军，佟强，郭磊

（软控股份有限公司信息物流系统事业部，山东 青岛 266045）

针对轮胎企业成型车间温湿度监控需求，提出了一种新颖系统解决方案。通过采用最新的zigbee技术和高精度温湿度传感器SHT21，实现了企业级车间内部温湿度信息的集中监控管理。经验证，该系统运行可靠、易于组网，为企业提升产品品质、降低能源消耗、深化工艺控制创造了条件。

温湿度监控；Zigbee；无线通讯；SHT21

在轮胎成型工序，车间温湿度是一项重要的环境变量，对轮胎的品质有着重大影响，随着“数字化车间”和“智慧工厂”的推进，传统的在车间中部位置放置1套温室传感器和LED屏幕进行温湿度采集显示的方式已远不能满足现代轮胎生产工艺控制的需求，网络化、智能化和可视化的车间温湿度监控系统才能更好的满足生产的需要。本文设计的基于Zigbee的轮胎成型车间温湿度监控系统，采用高精度超小体积的温湿度数字传感器SHT21，运用最新的物联网技术，达到了对整个车间的多个温湿度采集点的灵活布置和组网通讯控制、对数据实时性采集的目的，配合系统的报警提示功能，最终实现对整个车间温湿度可视化监控，使之保持在工艺要求的可允许范围内，进而达到稳定生产、提升产品质量和降低能耗的目的［1］。

1 系统组成及其工作原理

该系统主要是通过底层分布式温湿度采集终端对信息的实时采集和控制传输，完成车间温湿度信息归集功能，经企业数据服务器通过对这些数据的分析，企业管理者就可对本企业、本车间的温湿度信息情况进行很好的掌控，上位机的分析决策系统根据该信息进行启动或关闭相关设备的操作，最终保证车间温湿度值保持在设定的范围内。本文设计的温湿度系统框图如图1所示。

该系统主要由底层温湿度采集终端、网络通讯采集设备和上位机管理系统平台三部分组成，温湿度采集终端分散安装在车间内预定的位置，功能是采集当前区域内的温湿度信息，网络通讯设备主要是将车间内分散的信息点的数据高效、完整的传输到上位机系统内，上位机管理系统平台主要是对采集到的信息进行展示和综合分析并形成决策。

在本系统中，温湿度采集终端和集中器之间的通讯采用Zigbee的方式，该方式通讯效率高且稳定可靠，易于分散安装，集中器和上位机系统之间的通讯采用光纤以太网或GPRS的方式，该系统的工作原理为：温湿度采集终端采集各采集区域内的温湿度信息并进行显示、判断和记录，当该点温湿度信息高于或低于设定值时做出报警指示并对该报警信息进行记录；集中器主要是对温湿度信息进行数据和告警信息读取并传送到上位机系统，同时执行上位机系统对底层各分散采集终端的控制命令；上位机根据集中器上传的车间内各采集点的温湿度信息进行综合分析，依据设定值和内部算法做出相应的控制指令来调节车间内的温湿度值，形成一个大的闭环系统，最终使车间温湿度值保持在设定的范围内。

图1 系统架构图

2 系统硬件电路设计

该系统的硬件电路主要由微处理器、电源电路、通讯电路、存储电路、时钟电路、显示电路、键盘输入电路等组成，系统原理框图如图2和图3所示。

2.1 微控制器电路

图2 温湿度终端原理框图

微控制器是温湿度采集终端和温湿度集中器的核心单元，主要完成程序调用、数据处理及判断、数据采集上传等功能，选用的高性能的工业级32位RISC处理器AT91SAM7X256。它的工作电压范围为2.7～5.5V，可以很好的和其他器件兼容，具有1个以太网接口、1个时间窗看门狗定时器、3个串行通讯USART接口、2个SPI通讯接口 和1个两线串行接口TWI，同时具有13个外围数据DMA控制器通道，可以很方便的实现系统和外界进行数据交换。它可以为嵌入式控制提供灵活、高性价比的方案，特别适合用到以太网、Zigbee无线通信领域的场合，因此选用AT91SAM7X256作为本系统的微控制器。

2.2 温湿度检测电路

图3 集中器终端原理框图

本单元是整个系统的感知环节，也是系统关键部分，温湿度检测的核心是传感器的选型及应用。本系统选用Sensirion公司的高精度、低功耗、超小体积的精密温湿度传感器SH21，在20%～80% RH的湿度范围内该传感器的典型湿度精度±2%RH，在25～42 ℃温度范围内该传感器的温度精度±0.3 ℃。SHT21 采用标准的I2C 协议进行通讯，采用双侧无引脚扁平封装结构，方便系统的小型化设计［2］，功能电路图如图4所示。

在上述电路中，U5是温湿度传感器芯片SHT21，R17、R18是上拉电阻，目的是为了避免信号冲突，C5是去耦合电容。

图4 温湿度检测电路

2.3 Zigbee通讯电路

Zigbee无线网络具有低功耗、高可靠性、自组网、自恢复及冗余性能优异等特点，广泛应用低数据率监控的各个领域，通过该种短程无线通讯技术车间内各个温湿度监控节点可以方便灵活的进行通讯。本系统选用美国CEL的zigbee模块zicm2410，是一个真正的单芯片解决方案，遵从ZigBee规范和IEEE 802.15.4标准，它由一个含有基带modem的射频收发器、硬连线的MAC和内嵌8051内核的微控制器（带有内部Flash存储器）组成［3］，功能电路图如图5所示。

图5 zigbee通讯电路

在该电路中，U4是zigbee模块zicm2410，DS1、DS2、DS3是zigbee通讯的三个状态指示灯，R21、R22、R23是三个指示灯的限流电阻；C6、C7、C8、C9是输入电源的滤波电容，用于给U4提供一个稳定的工作电压。

2.4 继电器控制电路

该部分电路是控制输出的执行部分，当温湿度采集终端采集到的本地温湿度值不在设定的范围内时，给出一个声光报警信息，用于提示相关人员做相关操作。本系统中采用的继电器是磁保持继电器，和一般继电器相比具有功耗低、负载能力强、体积小等优势，本系统中选用的型号是厦门宏发电声股份有限公司的磁保持继电器HEF7，功能电路图如图6所示。

图6 继电器控制电路

在该电路中，Q1、Q2是可控开关，电阻R10、R11是限流电阻，用于降低三极管Q1和Q2的功耗，R5、R6是为让Q1、Q2可靠截止而设置的，R3、R4是为调整Q1和Q2的放大倍数而设置的，在应用中其阻值可灵活进行调整以满足系统需要，D1、D2是反向续流二极管，用于抑制浪涌，保护继电器。

3 系统软件设计

为实现软件部分的高效率和高可靠性，本系统采用可移植性和表达运算能力强的C 语言作为程序语言，同时采用模块化编程思想，将一个大的程序分成若干个小的功能模块，各个功能模块程序单独设计，做好程序接口，最后在主函数中进行调用，最终形成一个整体［4］，系统主流程图如图7所示。

图7 终端软件流程图

温湿度采集终端的程序编制采用了前后台系统，充分应用了中断处理来响应外部命令，主要包含主函数、数据存储函数、时间中断处理函数、接收中断处理函数、显示函数等功能模块。系统上电开始初始化，主程序完成初始化后等待中断的发生，通过对中断标志位的判断进而调用相应的处理程序进行相关动作，系统上位机实验监控界面图8所示。

4 结论

图8 车间温湿度上位机监控界面

本文设计的基于zigbee的轮胎成型车间温湿度监控系统，通过应用最新的物联网技术和新型高精度温湿度传感器SHT21，解决了车间内部布线繁琐、布置点数受限制、信息不联网、温湿度信息可视化弱等问题，实现了对企业级车间内部温湿度信息的集中监控管理，为企业提升产品品质、降低能源消耗、深化工艺控制等创造了条件。实验表明，该温湿度监控系统运行稳定、布置组网方便，在实际系统中具有较高的应用价值。

［1］ 武锋波， 强云霄. 基于zigbee技术的远程无线温湿度测控系统的设计［J］.西北大学学报（自然科学版）， 2008，38（5）:731～734.

［2］ Datasheet SHT21 Humidity and Temperature Sensor.2010.

［3］ ZICM2410模块数据手册V1.01. 2010.

［4］ 李玉峰. 基于MSP430的预付费智能热量表研究［D］. 哈尔滨:哈尔滨工业大学， 2010: 43～44.

ZIGBEE based temperature and humidity control system design for tire molding workshops

ZIGBEE based temperature and humidity control system design for tire molding workshops

Li Yufeng, Chen Haijun, Tong Qiang, Guo Lei

(Information Logistics System Division, Mesnac, Qingdao 266045, Shandong, China)

For temperature and humidity monitoring requirements in molding workshop of tire companies, this paper proposes an innovative system solution. By using the latest zigbee technology and high-precision temperature and humidity sensors SHT21, the system enables centralized monitoring and management of enterprise-level workshop internal temperature and humidity information. Validated, the system is reliable, easy to network, and it creates the conditions for improving product quality, reducing energy consumption, and deepening the process control.

temperature and humidity control; Zigbee; wireless communication; SHT21 （R-01）

TQ330.493

1009-797X（2015）23-0038-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.23.010

李玉峰（1984-），男，毕业于哈尔滨工业大学控制科学与工程专业，主要从事仪器、仪表的设计及嵌入式控制系统的设计研发工作，已发表论文6篇。

2014-03-14