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                        ZigBee無線數據通信控制軟件的開發

                        添加時間:2020/07/28 來源:長春理工大學 作者:張卉
                        在上位機部分,系統采用 B/S 架構,運用 C 語言平 臺進行后臺開發,前端人機借口采用 HTML,Script 等技術實現。最后給出了軟件架構、 控制軟件流程、用戶接口界面等,展示了一套模擬系統。所完成工作擬在實際廠區進 行測試和評估,最終要要實現企業能源的信息
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          論文結合氣體集中采集監測系統在生產制造企業的需求背景,分析了國內外的研 究現狀。采用系統化的設計思想,集中管理、分散布置的模式,分層與分布的系統結 構。按現場采集層,通信管理層和監控管理層三部分,設計了主從式的演示系統,F 場擬采集的氣體數據,分布于氣體車間各站房配電柜中,生產裝置中的測量儀表、控 制器、傳感器以及其它智能裝置共同實現氣體集中采集監測的全過程。在系統硬件部 分,通過選擇傳感器單元、ZigBee 模塊和 AVR 單片機,設計了下位機系統,編制了 ZigBee 無線數據通信等控制軟件。在上位機部分,系統采用 B/S 架構,運用 C 語言平 臺進行后臺開發,前端人機借口采用 HTML,Script 等技術實現。最后給出了軟件架構、 控制軟件流程、用戶接口界面等,展示了一套模擬系統。所完成工作擬在實際廠區進 行測試和評估,最終要要實現企業能源的信息化管理。

                          關鍵詞:ZigBee,氣體監測, 傳感器,數據采集,氣體監測

                        ABSTRACT

                          The thesis combines the background of gas concentration collection and monitoring system in the manufacturing industry, and analyzes the research status at home and abroad. Under systematic design ideas, centralized management, decentralized layout, hierarchical and distributed system structure. According to the on-site acquisition layer, communication management layer and monitoring management layer, a master-slave demonstration system was designed. The gas data to be collected on site was distributed in the power distribution cabinets of each station in the gas workshop. The measuring instruments, controllers, sensors and other intelligent devices in the production device jointly realized the whole process of centralized gas collection and monitoring. In the hardware part of the system, by selecting the sensor unit, ZigBee module and AVR microcontroller, the lower computer system was designed, and the control software such as ZigBee wireless data communication was compiled. In the upper computer part, the system adopts the B/S architecture, used the C language platform for background development, and the front-end human-machine excuses adopt HTML, Script and other technologies. Finally, the software architecture, control software flow, user interface, etc. were given, and a set of simulation system was presented. The completed work is planned to be tested and evaluated in the actual plant area, and ultimately the information management of the enterprise's energy needs to be realized.

                          Keywords: ZigBee; gas monitoring; sensors; data acquisition; gas monitoring

                        無線數據通信控制軟件

                        目錄

                          第 1 章 緒 論

                          1.1 研究背景與意義

                          傳統模式下的工業企業生產,在企業生產排放氣體的集中采集與能耗監測方面存 在大量的問題,F場數據整理工作繁瑣,占用大量的工作時間,容易產生誤差;無法 自動獲取主要能耗數據;無法實時跟蹤能源供應、分配和消耗情況;無法分析各種設 備能耗水準,對隱含的情況不清楚;無法實現廠區能源消耗的數據共享。手操記錄文 件無法進行實時存儲,對歷史文件無法及時調用;無法實現能源的分析和評估以致無 法做出正確生產決策,導致企業節能任務無法下達;數據支持的不精準性,使得節能 任務成為盲點;谝陨系钠髽I生產現實中所面臨的問題,本文針對氣體的集中采集、 監測系統進行了研究。 論文研究的是氣體集中采集監測系統,該系統主要應用于動力廠調度中心。第一 空壓站建立氣體集中采集監測系統及視頻管理系統,采集第一空壓站、第二空壓站、 氧氣站、鑄鋼氧氣站以及焊割氣站的電能、用水量、氣體流量、壓力、溫度、液位等 相關數據。在第一空壓站及動力廠調度中心建立本地顯示系統及安裝視頻監測設備, 保證系統安全穩定可靠運行;實現對氣體供應、用水、用電消耗等相關能源數據的自 動監測,完成對各種能源系統優化調度和管理;實現可視化管理;實現單產能耗的可 視化管理,幫助管理人員方便快捷的處理能源數據。

                          系統采用了新型的 ZigBee 無線數據通信技術,該通訊具有傳輸范圍大、可靠性 高、操作性好、成本低廉等特點。其在 2.4GHz 頻段時,可達到 250Kbps 的數據最大 傳輸速率。而在傳輸速率在 28Kbps 時,它的點對點傳輸范圍可以達到 134 米。該技 術能夠較好的適應工業生產環境,使企業便于能量管理,提高能源統計數據的精度與 速率;實現對能耗指標的評估和能源消耗結構分析及能源消耗成本分攤;視頻監控系 統數據可以讓值班員直觀地掌握現場情況,并能夠通過錄像回放進行分析。 近年來,中國的經濟正處于高速發展的時期。城市化現象顯著,城市人口數量的 不斷增長,帶動了各行各業的經濟發展。能源、服務、制造、餐飲等行業迅猛發展的 同事,能源緊張、環境惡化等問題日漸凸顯。傳統的能源管控方式已適應不了當今社 會的發展,能源可持續性發展現已成為我們急需思考的重要課題。作為大型裝配制造 行業[1],日均耗能量巨大。能夠合理的進行能源管控,提高能源使用效率,優化能源 分配方式是企業能否長期生存下去的關鍵因素。幫助企業進行現代化能源管控[2],不 但對整個企業的發展也對國家經濟、環保及發展等方面有著極為重要的意義[3].

                          1.2 國內外研究現狀

                          1.2.1 國外現狀分析

                          能源信息管理系統作為現代化企業的重要管理方式,早在發達國家已經得到了廣 泛的應用。美國作為能源使用大國,率先開啟了節能探索之路。RTI 集團作為世界著 名的鋼鐵制造商[4],在節能方面不斷探索,結合實際生產與能源消耗的情況,開發出 一套能源信息系統。該系統的投用,極大提高了企業的能源利用率,降低生產成本, 提升利潤的同時也提高了企業的競爭力。能源管理技術水平日益提高[5],企業應用效 果顯著,目標劃定為將能源管理推向更加智能化的方向發展。 日本作為一個典型的能源緊缺國家,對于能源管理有著悠久的歷史及先進的理 念。世界首個能源管理系統就由其最大的鋼鐵公司--日新鐵創建。能源管理系統不 但幫助了該公司成長為世界上著名的鋼鐵公司,其作為先驅也為世界企業能源管理奠 定了重要基礎,而在上世紀九十年代引入能源信息管理系統的鹿島鋼鐵[6],再次將能 源管理進行了創新,開啟了能源信息化管理的時代。

                          在生產制造行業,生產現場的能源采集工作直接影響到企業能源管理的效率。在 這方面,ESC 公司生產的氣體監測器,具有良好的實用性與強大的功能。對于廠房內 部的空氣質量能做到實時監測。也可根據生產需要,對相應氣體的濃度數據進行采集 計算。該類檢測器能夠很好的適應工業化生產的環境及功能需求,在保證能源數據采 集準確的情況下,提升人員生產的安全指數。極佳的穩定性,體積小、質量輕、良好 的便攜性,簡易的操作方式及擁有互聯網實時監控能力[7],都使其具有強大的市場競 爭力。生產制造行業的工廠內往往涉及到的環境復雜,需采集及監控的數據多種多樣。 如氣體方面,對室內空氣質量的檢測及對有害氣體的監測都十分重要。著名的測量儀 制造公司 TSI,擁有世界領先的測量儀器制造水平。該公司為世界各地的科研機構提 供服務,對于物質成分分析、室內環境監測、能源耗量計算等方面都有著權威的地位。 該公司生產的明星產品--7565 型綜合監測儀[8],在一氧化碳、二氧化碳等氣體的實 時監測及參數計算方面有著優秀的表現。TSI 公司作為業內龍頭在世界范圍內享有盛 譽。由上述分析可見,國外的發達國家在能源消耗與氣體排放研究與監控方面已經走 過了很長的一段路,取得很顯著的成果,具有豐富的管理與應用的經驗,這些技術的 應用也為發達國家帶來了巨大的經濟效益與社會效益,成功的經驗也值得我們引進學 習并消化吸收,并為我國所用。

                          1.2.2 國內現狀分析

                          能源信息管理系統在我國現處于起步階段,近年來已得到國家各大行業的重視。 企業的能源就如同沙漠中行人手中的水,怎樣使用,決定其能前行多遠。企業要想長 遠發展,能源管理則是其命脈,直接影響著企業的生命周期。作為國內能管系統的先 驅帶頭者[9],上海寶鋼做出了不斷的努力和創新。從先期的對外引進,到結合自身特 點不斷技術革新,如今已發展到對能源信息系統的開發與使用階段。 但由于起步較晚,技術水平有限,國內的能源管理系統仍受到技術水平、研發成 本、能源意識等多方面因素的制約。北京華云儀器研究所作為國內領先的單位,優先 開始了能源管理方面的儀器研究[10],該所在檢測儀器的開發方面有著領先的水平,其 研發的儀器有著精度高、適應性強、可靠性好等特點。但復雜的操作方式使其難以在 大眾行業得到良好的普及。 但隨著時間的推移及科技的發展,國內能源管理技術也在逐步提高。近年來,隨 著大眾對家裝、空氣質量、生產作業等方面環保的意識不斷提高,室內甲醛、一氧化 碳等有害氣體的檢測裝置,PM2.5 濃度監測裝置等相關產品被大量需求。對其精度、 適用性及可操作性的要求也不斷提升。雙重網絡無線傳感技術得到了開發應用[11],利 用該技術設計的能源管理系統,有著耗電量低、通用性好等優點。

                          而國家對企業的環保標準不斷提升,檢測體系不斷完善,對有害物質排放監測的 準確性和實時性也成為了如今能源管理的重要課題。由此擎天科技公司根據環保要 求,設計并開發了城市碳排放監測監管系統軟件[12].該軟件實現了能源監測與信息系 統相結合,并可根據城市的不同要求,加入公共交通、生產生活等方面碳排放指標的 監測。目前國內在制造行業環保監測、能耗管理控制方面,利用信息化技術以及科學的 管理手段已經取得了一定成果,這些理論成果還需要不斷的積累、完善,并逐步將最 成熟的信息化管理技術應用到實際的工業生產過程中去。

                          1.3 文章主要結構及內容

                          第一章,緒論。主要介紹了論文的背景及意義,分析了能源消耗管理與氣體采集 監測系統的國內外研究現狀。

                          第二章,能源監測技術及系統需求分析。主要介紹了能耗監測技術,傳感器技術, ZigBee 技術,C 語言技術,SSH 技術等;這些技術是整個論文設計與闡述的基礎。

                          第三章,系統要求及總體設計。主要針對系統的設計目標,系統的功能需求,及 系統的實現進行了分析,為論文的后續展開起到了承上啟下的作用。

                          第四章,針對下位機設計需求,給出了系統硬件部分的原理設計,傳感器電路、 微處理器電路和無線通信模塊的硬件部分設計,以及相關的算法設計。

                          第五章,下位機軟件設計。這部分內容主要包括系統軟件實現的總體架構,系統 的軟件實現方式,例如數據鏈路層、應用層、展示層;闡述了無線通信協議的軟件實 現,軟件系統的登錄實現,監測軟件的功能實現。并針對系統的實現進行了單元測試, 分析了相應的數據。 最后,對全文工作進行了總結。







                          第2章能耗監測技術及系統衢求分析
                          2.1能耗監測技術
                          2.2系統設計目標分析
                          2.3系統功能需求分析

                          第3章系統要求及總體設計
                          3.1系統實現要求
                          3.2上位機與下位機設計需求分析

                          第4章下位機件蝻構設計及模塊電路選
                          4.1下位機硬件結構設計
                          4.2現場氣體傳感器選型
                          4.3控制微處理器選型
                          4.4 ZigBee 無線通信模塊選型

                          第5章軟件設計
                          5.1軟件部分 總體架構
                          5.2 ZigBee 通信協議的軟件實現

                          5.3軟件系統登錄的實現
                          5.4監測軟件功能的實現
                          5.5系統模擬及測試

                        結 論

                          本論文基于 ZigBee 設計了氣體集中采集監測系統,由上下位機共同實現。主要 工作包括硬件部分的原理結構與軟件部分的程序實現,硬件部分主要設計了壓縮空氣 數據采集傳感器的原理電路,ZigBee 無線數據通信系統的設計;軟件部分設計,采用 HTML,Script 等技術,后臺代碼采用 MVC 模式分層編寫。通過設計,系統可滿足用 戶生產所需。

                          論文最終設計并實現的氣體集中采集監測系統主要應用是在動力廠調度中心,采 集空壓站、氧氣站、鑄鋼氧氣站,以及焊割氣站涉及的電能、用水量、氣體流量、壓 力、溫度、液位及相關數據。在氣體監測傳感器的節點設計、監測系統軟件軟件平臺、 系統的性能測試等方面取得了初步的成果。

                          未來的系統可實現對氣體供應、用水、用電消耗等相關能源數據的自動監測,完 成對各種能源系統優化調度和管理;實現單產能耗的可視化管理,幫助管理人員方便、 快捷地處理能源數據。實現能量曲線和電流電壓曲線的匹配,便于能量管理;提高能 源統計數據的精度與實時性;實現對能耗指標的評估和能源消耗結構分析及能源消耗 成本分攤。整個系統在實際工作中的應用將提高企業的智能化管理水平。

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                        致 謝

                          這三年在職攻讀研究生學位的經歷對于我的整個人生都是特別且有意義的。首先 感謝我的導師宋正勛教授對我不厭其煩的指導。他對學術的嚴謹態度不但讓我在學習 期間獲得了豐富的專業知識,更讓我看到了學術精神的無限魅力,懂得了我所研究的 內容對于整個專業領域就猶如滄海一粟。今后的工作中只有不斷努力,不斷學習,才 能夠提升自己的工作能力,在自己的工作領域才能有所建樹,不枉費導師對我的教誨。

                          其次,感謝學院相關老師為我們提供的各種教學平臺和相關實驗條件。沒有您們 在幕后默默地支持和幫助,不可能有我今天的研究成果和提交的論文。能夠選擇在長 春理工大學電子信息工程學院學習,我感到非常的幸運與驕傲。

                          最后,感謝在我論文撰寫過程中,給予我指導和幫助的同事、同學,同事感謝人 給予的理解和支持。

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