基于STM32的智能化工厂监控系统开发

2018-09-20田博

山东化工 2018年15期

田博

(辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新 123000)

在数字化工厂中实时通信的实现、信息处理与采集是重要的组成部分。通过将远程监测技术应用到化工厂系统中，统一化和整体化化工厂设施对于生产成本的降低和化工厂作业效率的提升有非常重要的作用[1]。

作为化工生产效率提升与化工生产过程中的重要影响因素，化工厂信息实时采集对于化工生产非常重要。目前存在多样化的方法进行化工厂信息的传输和采集。在进行现场采集和人工记录的过程中需要耗费大量的人力和物力，同时无法保证数据的实时传送。基于总线型的小范围采集系统实现了自动数据采集，然而在数据传输的过程中如果采用了有线通信的方法，既会消耗大量的金钱，同时光照强、酸性大及湿度高等因素会使得线缆老化速度加快，对于系统的稳定性带来消极的影响，同事分散和数量繁多的传感器会导致线缆纵横交错的问题出现，不利于化工厂生产的顺利进行[2]。

本文设计了嵌入式化工厂智能监控系统，在网络数据传输的过程中采用无线传感器能够弥补采用有线通信方式带来的问题。

1 系统总体结构

为了对某化工厂区进行监测而进行了本课题的研究。将多个传感器节点部署在化工厂的不同位置，这样就可以对化工厂环境信息进行采集。另外系统中有视频采集节点。通过无线网桥等网络设备可以将视频和环境信息传输到服务器中，然后服务器远程发布这些化工厂信息。通过移动管理终端或者电脑用户就可以获取化工厂的环境信息，进而达到远程管理的目的[3]。嵌入式化工厂智能监控系统总体结构如图1所示。

图1 嵌入式化工厂智能监控系统总体结构

无线传感器网络利用协议通信可以将数据汇聚到网关节点。利用无线模块和网线可以实现视频终端设备的通信。通过数据传输模块可以将所有现场数据传输到服务中心。数据的远程控制和发布可以利用服务中心所配置的服务器来实现。

2 嵌入式化工厂监控系统硬件

数据接收监测端以及数据采集发送端是整个系统的主要组成部分。化工厂现场的数据可以通过数据采集发送端采集，利用ZigBee节点设备将采集得到的数据向嵌入式服务器中的协调器发送[4]。上位机监控软件、STM32控制器以及ZigBee协调器是数据接收检测端的重要组成部分，ZigBee节点发送过来的无线数据由协调器负责接收，然后向STM32控制器进行传输，数据通过Internet就可以像远程监控PC进行发送，进而达到远程控制和查看的目的。

2.1 数据采集发送端

传感器节点硬件设计是数据采集发送端硬件设计的主要组成部分，本文将TI 公司生产的 CC2530 片上系统芯片作为Zig Bee 节点。通过I/O 口可以实现传感器和CC2530之间的连接，在采集到数据以后，片内8051 微处理器A/ 转换得到的数据，利用微处理器可以在对传感器节点进行控制的过程中实现通信[5]。数据采集发送端硬件结构如图2所示。数据采集发送端硬件实物如图3所示。

图2 数据采集发送端硬件结构

图3 数据采集发送端硬件实物

2.2 数据监测接收端

STM32 嵌入式Internet控制服务器设计以及ZigBee协调器设计是数据监测接收端的重要组成部分。本文将CC2530 芯片作为ZigBee协调器，另外为了保证顺利的连接主处理器，本文对协调器进行了模块化处理[6]。通过设定SFR 寄存器可以将CC2530 的 I/O 引脚作为 USART 的 RX 和 TX 引脚应用。通过连接STM32的 USART 串口引脚就能够达到通讯的目的。

在硬件设计部分本文将STM32F103CBT6作为服务器的主处理器，该种类型处理器的内核为Cortex-M3。这种处理器具有较高的性能，能够有效的满足设计要求。采用了美国Microchip公司的独立Internet控制器 ENC28J60作为Internet芯片[7]。数据采集接收端硬件实物如图4所示。

图4 数据采集接收端硬件实物

3 无线传感器网络软件设计

3.1 节点信息获取

目前利用远程命令的控制来对数据进行采集和发送以及周期性的自主采集发送时传感器信息获取的两种主要途径[8]。在本文的研究过程中同一个路由节点上的传感器信息主要采用循环扫描方法进行读取。图5为节点信息获取流程图，其中重点表示出了节点运行状态是否正常的判别流程。节点运行状态是主要监测内容，节点运行状态是否正常影响着整个化工厂监控系统运行的稳定性。

图5 节点信息获取流程图

3.2 网关软件设计

在完成传感器节点信息的采集以后，信息的传输主要通过无线网络来实现。信息的发送以及接受主要通过网络来实现。Internet通信发送线程、Internet通信接收线程及无线网络通信线程是网关所创建的三个线程。其中无线网络的管理主要通过无线网络通信线程来实现。网关收到节点加入请求以后就可以在网络上登记这些节点。然后确定是否接收到节点数据，让完成数据的传输以后就在缓冲区进行数据的存储，并将线程发送的命令通知给Internet。在完成线程的发送以后就可以对网络连接状态进行判断，当网络顺利连接时就将数据发送给上位机[9-10]。

3.3 基于.NET的化工厂监控上位机软件设计

本文以ASP.NET为平台进行WEB系统的设计，进而实现了化工厂信息的顺利发布。动态WEB网页可以通过页面显示层来实现，在显示化工厂信息的过程中，用户在授权的基础上只要连接到互联网就可以对化工厂历史信息和当前信息进行查看，同时还能够随时的下载数据。各个监测点的运行状况以及当前化工厂的总体概况可以在监控主界面上显示出来。监控主界面如图6所示。

图6 监控主界面

通过历史曲线控件的调用可以得到化工厂环境历史数据曲线，化工厂环境历史数据可以利用历史曲线控件记录下来，同时利用数据曲线将这些数据只管的显示出来。通过历史报表控件的调用可以得到化工厂环境历史数据报表界面，化工厂环境历史数据可以利用历史报表控件记录下来，同时可以进行数据的打印和保存，可以按照时间进行那个数据的查询。化工厂环境历史数据报表界面如图7所示。