基于ZigBee通信的车间环境监测系统

奚志豪++许鹏

摘 要：本项目设计了一种以STM32F407处理器为核心的车间环境监测系统，由多个终端模块和一个汇总模块组成。多个终端模块安装于车间各个位置，主要采集车间温湿度、粉尘浓度、可燃气体浓度及噪音等信息；汇总模块安装于车间办公室中，综合获取存储各个终端模块采集的数据，并实时显示在7寸工业屏上，同时对异常环境数据告警。终端模块和汇总模块采取ZigBee无线通信[1]形式传输数据，具有布局灵活、节省成本、稳定性高的特点。这套系统能够实时监测车间多点环境情况，并对异常状况告警，因此一方面可以减少车间环境对工作生产或设备运行的影响，另一方面也可以帮助管理者真正地了解生产一线工作环境。

关键词：ZigBee无线通信；STM32F407；环境监测

中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0093-02

1 概述

当今社会，随着工业制造精度的提高及工业现代化的发展，工业生产流程以及工业生产设备对车间环境的要求越来越高。本项目的研究为工业生产现代化提供有力的支撑，具有深刻的现实意义。首先，该设备可以同时测量大量的环境参数数据，给设备调试研发人员提供了大量的数据参考。其次，该设备大大降低了设备维护的难度缩减了发现问题的时间，保证了设备工作在高效稳定的一个状态。这对于提高产品的质量是有很大帮助。

该项目的终端模块能实时监测环境参数（包括温度，湿度，噪音，粉尘浓度，可燃气体浓度）[2]，对温湿度度过高或粉尘浓度过高的环境异常实时告警，可以避免设备的损坏和产品的质量下降；噪声的监测主要是处于对操作员工身体健康的考虑，若噪声过高，应当及时做好防护措施；可燃气体浓度的监测主要应用于特殊场合，如炼铁高炉等，若过高极易发生火灾，需及时开启通风设备。通过环境参数可以排除一些安全隐患，为员工的人身安全增添了一份保障。

系统架构灵活、技术新颖，模块操作简单，环境参数值范围设定都可以在触摸屏上完成，迎合了当今对产品高要求的趋势，对未来工业方面的发展具有深远的意义。

2 系统架构设计

本项目设计了一种以STM32F407处理器为核心的车间环境监测系统[3]，由多个终端模块和一个汇总模块组成。多个终端模块安装于车间各个位置，主要采集车间温湿度、粉尘浓度、可燃气体浓度及噪音等信息；汇总模块安装于车间办公室中，综合获取存储各个终端模块采集的数据，并实时显示在7寸工业屏上，同时对异常环境数据告警。终端模块和汇总模块采取ZigBee无线通信形式传输数据，具有布局灵活、节省成本、稳定性高的特点。系统架构如图1所示。

3 系统的硬件设计

3.1 ZigBee模块选型

Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其优势包括：自动组网，网络容量大。在有模块加入和撤出时，网络具有自动修复功能；网络时延短；模块功耗低，通讯速率低；传输距离可扩展；可靠性好，安全性高等。

3.2 终端模块硬件设计

终端模块采用Cortex-M4系列的微处理器芯片STM32F407，接口功能丰富。终端模块上使用SDS011型PM2.5传感器监测粉尘浓度，使用MQ7模块监测可燃气体浓度，使用DHT11传感器采集温湿度，使用音频模块采集环境噪声。

终端模块的I/O接口设计如下：DHT11数据口接STM32的PB11；噪音传感器数据口接STM32的PA6；MQ7数据口接STM32的PA5；SDS011型PM2.5传感器接STM32的PA10（USART1）；ZigBee的P0_2（USART_RX）接STM32的PA2（USART2）。

3.3 汇总模块硬件设计

汇总模块采用Cortex-M4系列的微处理器芯片STM32F407，为了能够直观显示采集数据，使用了工业级7寸触摸显示屏，并保证了系统长期工作的可靠性，此外还使用了工业级标准双色告警灯，用于异常告警。

汇总模块的I/O接口设计如下：ZigBee的P0_3（USART_TX）接STM32的PA10（USART1）；RS485_TX接STM32的PA3（USART2）；RS485_RX接STM32的PA2（USART2）。

4 系统软件设计

系统程序是在STM32开发板上运行，使用C程序设计的编程思想。本系统集合了多种功能，可以将各种功能用子程序来实现，然后通过主程序调用，这样使得系统整体结构清晰，内容明了增强程序的可读性，整个系统框图如图2所示。

4.1 串口屏的软件设计

串口屏有产品自带的开发工具DWIN DGUS软件，为用户提供了一个足够强大的集成开发环境，用DGUS来开发人机界面，主要借助PC软件来进行组态设计，把人机交互和控制过程完全分开，只需要写点通过串口读写变量存储器的代码。

4.2 终端模块的软件设计

终端模块在CC2530芯片中编程以协议栈为基础，其通信节点形式为ZigBee网络中的终端节点，ZigBee无线通信设置为组播模式。当模块连入ZigBee网络后，以1Hz的频率向汇总模块（ZigBee协调器端）发送数据帧字符串。

终端模块在STM32F4中编程以初始化各个传感器，以1Hz的频率读取各传感器数据并对数据进行校准。整合成自定义的数据帧字符串以串口通信发送给CC2530芯片。

4.3 汇总模块的软件设计

汇总模块在CC2530芯片中编程以协议栈为基础，其通信节点形式为ZigBee网络中的路由器节点，ZigBee无线通信设置为组播模式。当模块创建ZigBee网络后，以1Hz的频率从终端模块接收数据帧字符串。

汇总模块在STM32F4中编程把数据帧字符串转化成串口屏数据帧，并以485通信协议与串口屏进行交互通信。

5 系统功能测试

将系统组装完成后，先给终端模块上电，此时已经可以观察到终端模块TFT显示屏上显示的环境数据了。传感器预热5分钟后，再打开汇总模块。约6s后，可以在汇总模块串口屏上观察到环境数据且曲线以1Hz的频率刷新。说明系统无线数据的传输已经正常工作了。系统实物如图3所示。

最后我们可以通过点燃打火机（测试可燃气体传感器，温湿度传感器），播放的声音（测试噪音传感器）等手段来检验传感器的灵敏度。经检验，汇总模块的报警反应时间在1.5秒左右，符合了设计要求。

6 结束语

智能工业的实现是基于物联网技术的渗透和应用，并与未来先进制造技术相结合，形成新的智能化的制造体系。因此，智能工业就是把现代通信技术应用到工业制造中去，使其更便捷、高效、稳定、人性化。

这套系统能够实时监测车间多点环境情况，并对异常状况告警，因此一方面可以减少车间环境对工作生产或设备运行的影响，另一方面也可以帮助管理者真正地了解生产一线工作环境。此外，本系统不仅可以应用于车间环境监测，也可直接应用于智能家居的环境监测。

参考文献：

[1]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程，2011，8.

[2]王蘊 .基于CC2530的办公环境监测系统[D].长春：吉林大学，2012，5.

[3]陈致远，朱叶承，周卓泉，等.一种基于STM32的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2012，9.

[4]杨普松.基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统设计[J].科技创新与应用，2015（20）：105.endprint