基于ZigBee和WLAN技术的厌氧发酵中试监控系统

秦国辉，王钢，王玉鹏，周闯，罗向东

（1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150086；2.黑龙江省科学院，哈尔滨150001）

基于ZigBee和WLAN技术的厌氧发酵中试监控系统

秦国辉1，王钢2，王玉鹏1，周闯1，罗向东1

（1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨150086；2.黑龙江省科学院，哈尔滨150001）

针对厌氧发酵中试系统的数据传输与监控需要，本文设计了一种基于ZigBee和WLAN技术的中试厌氧发酵监控系统。其中，以ZigBee技术为核心的底层无线传感网络负责数据与命令的传输；以WLAN技术为核心的局域网络负责视频传输与互联网接入功能，将发酵数据及视频传输至指定计算机，实现厌氧发酵过程的实时检测与监控管理，形成实时集中管理的信息化应用系统。

ZigBee；WLAN；厌氧发酵；监控系统

厌氧发酵技术不但能够有效消除农业有机废物、工业有机废物以及城市生活垃圾等污染，而且能够发掘有机废物中含有的大量可利用生物能源。由于应用于厌氧发酵探索的中试系统普遍存在可扩展性差、缺少统一管理平台和视频监测、信息无法共享等缺点［1］。因此，需要发展一种自动化程度高、安全可靠的监控系统。

随着无线网络技术迅速发展，涌现了大量新技术。其中，基于Wi-Fi（IEEE 802.11）标准的WLAN具有价格低廉、占有率高等优势，主要服务于计算机上网应用模式的网络服务［2］；短程、低速率无线传感和控制应用的ZigBee协议具有复杂度低、成本低、功耗低、延迟短、网络容量大和安全性高等诸多优点，主要应用于仪器设备互联与控制服务［3］。ZigBee网络和WLAN网络的日趋成熟为构建互联互通、可扩展性好的远程智能监控平台提供了技术支撑。

为了更详细与深入的研究、分析和验证厌氧发酵技术，本文设计了基于ZigBee与WLAN技术构成的厌氧发酵中试监控系统。它充分利用了大数据量、高速率的多媒体压缩码流与小数据量、低速率的监控信号，结合了ZigBee网络和WLAN网络的优势，提高了监控系统的可扩展性、经济性和可靠性，实现了远程智能监控。

1　系统总体设计

双层网络结构的厌氧发酵中试监控系统的总体结构如图1所示。

图1　监控系统结构图Fig.1 Monitor system structure

该系统主要由ZigBee无线传感网络、视频网络、监控单元三部分组成。ZigBee无线传感网络由低功耗传感器节点与中继单元组成，每个传感器节点经由ZigBee收发单元与中继单元通信，返回采集数据或响应控制指令。基于WLAN构建的视频网络由视频传感器节点组成，每个节点进行视频码流的采集、压缩处理和传输视频。监控单元负责远程监控、报警信息发布、数据存储等。科研人员既可以采用计算机作为客户端接，也可以随时随地通过移动通信设备访问监控单元获取发酵数据与图像。

2　ZigBee无线传感网络设计

2.1ZigBee网络

基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术是一种低功耗和成本的双向无线通信协议[4]。它是物联网领域内最具有应用前景，拥有众多其他技术不具备的特点，在本文设计的厌氧发酵中试监控系统中，主要体现在以下几个方面：

第一，成本低：ZigBee协议简单，大大降低了系统组网与维护成本。

第二，安全性高：ZigBee网络提供了数据完整性检查，确保数据收发准确。

第三，频率灵活：依据环境选用2.4GHz、868MHz或915MHz等免执照频率段。

第四，网络容量大：单个ZigBee网络最多支持255个接入设备［5］。

ZigBee无线传感网络应用简单、稳定星型拓扑建立。中继单元实现底层ZigBee网络与WLAN网络的信息交流、维护和协商功能。ZigBee收发单元具有安装方便、维护简单和运行稳定等特点，负责处理数据并与中继单元进行交流。当定时测量或事件触发时，唤醒ZigBee收发单元的休眠模式发送数据，将功耗降至最低。在通信过程中，发送数据前必须侦听信道，若信道处于繁忙状态时，则等待下一个时间再一次侦听，若信道处于空闲时，则发送数据。

2.2ZigBee收发单元

图2　硬件结构图Fig.2 Hardware structure

ZigBee收发单元采用模块化方法设计，分为传感器输入单元、控制输出单元、微处理器单元、无线通信单元与电源供给单元，其硬件结构如图2所示。

其中，处理器单元采用Silicon Laboratories公司设计的C8051F340单片机，内置4个计数器/定时器、2个可扩展配置的全双工UART、4K字节内部RAM与40个I/O接口，相比通用的8051结构具有更快的指令执行速度。无线通信单元采用Chipcon公司生产的CC2420芯片，与单片机通过SPI接口进行设置和数据收发，其设计技术指标超过了IEEE802.15.4标准要求，更好地保证短距离通信的有效性和可靠性。传感输入单元依据系统接入类型进行模数转换。控制输出单元依据接入设备的驱动类型实现二次继电器、电流或电压的输出。电源单元除了提供5VDC、24VDC、220VAC电源外，还设有电池供电电路。

2.3中继单元

本文设计的厌氧发酵中试监控系统仅有一个中继单元，作为接收各从站节点数据并把数据传输给WLAN网络的工具，其结构框图如图3所示。

图3　中继单元结构框图Fig.3 Relay unit block

从图中可以看出，基站由微处理器、显示模块、ZigBee收发模块、存储模块、串口模块以及LAN接口模块等组成。主要完成如下功能：

第一，利用无线ZigBee网络收发模块接收各个从站节点发送的采集数据。

第二，建立局域网，连接互联网，通过远程监控单元对数据进行分析处理。

第三，通过远程监控单元实时修改各节点的设置参数及输出状态。

其中，微处理器采用C8051F340器件作为主运算CPU；显示模块采用串口智能显示模块EzUIV10_070K，触摸屏为7.0英寸彩色TFT显示屏，内置有256M资源存储器；存储模块采用存储芯片24c512，它是电擦除可编程串行存储器，具有体积小、专用I/O口少、价格低廉、电路简单等优点；LAN接口模块搭载ARM处理器，集成了TCP/IP协议和10/100M自适应以太网接口，将TCP网络数据包或UDP数据包与RS232接口数据实现透明传输的设备，模块体积小巧，功耗低。

2.4软件设计

系统软件程序以C语言设计为主，它结合了高级编程语言的优点与汇编语言空间小、运行速度快等的特点，拥有突出的表达运算能力、可读性和可移植性，具有高效的指令执行效率，其开发环境采用Silicon Laboratories IDE。程序采用模块化设计，系统程序的结构与流程通过主程序、子程序和子过程等框架描述，并且定义了各个框架间的联系，简化程序的开发、调试和维护。首先定义RAM区的变量数据，之后完成C8051F340单片机、串口智能显示模块与ZigBee收发模块等器件的初始化，然后依据系统规定的工作顺序与状态依次执行相关子程序，实现无线数据传输、显示与输入、传感器数据的采集、分析与判断等功能。

3　WLAN网络

拥有无线路由网桥的视频传感器与中继单元构成了WLAN网络，实现了厌氧发酵的过程变量数据与现场运行视频的远程监控。其中，厌氧发酵中试现场的视频与音频模拟信号经过A/D转换芯片转换成数字视频、音频信号，送至视频与音频处理器产生符合MPEG_4H．264标准的压缩音视频码流，然后存储于拥有专用的FLASH、以太网接口的SDRAM中。此外，通过USB接口连接的移动硬盘、U盘可以作为音视频流、传感数据及报警信息的存储设备。基于UART接口扩展的RS-485和RS-232接口简化系统的云台调试和控制。

4　结语

本文设计的基于ZigBee和WLAN技术的中试沼气发酵监测系统，充分利用了ZigBee和WLAN技术的优势，构建了集合音视频监测、传感器参数读取与设备状态控制等功能的监控系统，实现了计算机或移动通信设备实时监控运行状态、查看历史记录与接收报警信息等，实现了远程智能监控，提高了厌氧发酵中试监控系统的智能化程度、可扩展性、经济性与可靠性，确保了沼气发酵科研实验的顺利进行。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京：航空航天大学出版社，2007：128-157．

［2］段水福，历晓华.无线局域网（WLAN）设计与实践［M］.浙江：浙江大学出版社，2007：3-15．

［3］朱向军，应亚萍.基于ZigBee和WLAN的智能家居监控系统的设计［J］.电信科学，2009，（06）：45-50．

［4］李建中，高宏.无线传感器网络的研究进展［J］.计算机研究与发展，2008，45（1）：1-15．

［5］童晓渝.新一代移动融合网络理论与技术［M］.北京：人民邮电出版社，2012：38-39.

Pilot Monitoring System Based on ZigBee and WLAN Technology in Anaerobic Fermentation

QINGuo-hui1,WANGGang2,WANGYu-peng1,ZHOUChuang1,LUOXiang-dong1
(1.Energyand Environment Research Institute ofHeilongjiangProvince,Harbin 150086,China；
2.HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150001,China）

In view of the need of data transmission and monitoring in anaerobic fermentation,this paper designs a pilot anaerobic fermentation monitoringsystembased on ZigBee and WLANtechnology.Amongthem,the underlyingwireless sensor network on the ZigBee technology is used as the core responsible for the command and data transmission.Local area network is responsible for the video transmission and Internet access with WLAN technology as the core.The fermentation data and video is transmitted to the designated computer.Achieve real time detection and monitoringmanagement ofanaerobic fermentation process.Real-time information application systemofcentralized management is developed.

ZigBee;WLAN;Anaerobic fermentation;Monitoringsystem

TK6

A

1674-8646（2015）09-0010-03

2015-05-24

秦国辉（1982-），男，辽宁丹东人，硕士，助理研究员，从事智能控制研究。