CN105118278A - 一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***，该***包括工业无线环境监控节点设备和环境监控***人机交互界面；无线监控节点设备分布在工业现场环境中，它与布置在现场的传感器通信，将传感器采集到的数据通过无线的方式发送给中继节点，中继节点将数据转发给无线集中器，无线集中器再将接收到的数据通过以太网接口传送至监控计算机的监控组态软件进行实时显示。控制数据首先是控制人员通过控制按钮产生控制指令，指令经过组态后台处理后通过以太网口传到无线集中器，无线集中器再将指令以无线的方式发送给中继节点进而转发给控制节点模块，以此控制现场设备的动作。本发明解决了传统有线工业监控网络安装布线工作量大、成本高、维护性和灵活性较差等问题。

Description

一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***

技术领域

本发明属于工业物联网技术领域，涉及一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***。

背景技术

当今世界大部分的工业现场已存在大量现场总线及工业以太网监控***，而无线传感器网络相对于传统的监测***具有灵活性强、更加智能化的特点。

在有线的工业环境中，由于需要监控的物理信息种类众多、数量巨大，首先布置变送器节点时，布线繁杂、布线量大是有线监控***的重大弊端之一；其次，某些特殊的工业应用场合，它不适合进行布线操作，此时有线***并不是一个合理的选择；再者，布置在工业现场的众多变送器需要实时地进行物理信息的在线采集、处理和监控工作，所以一旦现场设备出现问题，设备的维护工作将会变得异常的繁杂。再加上近年来绿色制造的呼声越来越高，绿色制造综合考虑了环境影响、资源消耗和资源效益的现代化制造模式。

绿色制造的发展使得传统的生产模式不再适应当今工业的发展，所以选择正确的工业生产技术成为实现绿色制造的首要任务。因此，鉴于传统有线工业监控网络的诸多不足和绿色制造的提倡，目前急需一种新型的工业环境监控网络。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***，能够解决传统有线工业监控网络安装布线工作量大、成本高、维护性和灵活性较差等问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***，包括工业环境无线监控节点设备、中继节点设备、无线集中器和环境监控***人机交互组态界面；

所述工业环境无线监控节点设备包括RS485输入节点设备、模拟量输入节点设备、开关量输入输出控制设备、温湿度传感器节点设备；所述RS485输入节点设备与485输出型传感器相互通信，将传感器采集到的数据经过隔离、转换传送至470MHz射频模块；所述模拟量输入节点设备与模拟量输出型传感器相互通信，将传感器采集到的数据经过隔离、转换传给470MHz射频模块；所述开关量输入输出控制节点设备通过接收数据集中器下发的控制命令，控制继电器对电机设备进行起停操作；所述温湿度传感器节点设备用于测量各厂区环境中的温度和湿度。

进一步，所述环境监控***人机交互组态界面具有视察图形用户界面，为操作人员和开发人员提供监控环境，实现对象自由组态及动态属性的在线配置、现场动态数据采集、数据处理、状态监控、远程控制、报警、参数设置、报表生成等功能。

进一步，所述无线监控***整个网络呈带状分布，共分为3层；

最底层无线环境监控节点由RS485输入节点、模拟量输入节点、开关量输入输出控制节点、温湿度传感器节点组成；RS485通信节点设备可用于测量消防生产生活水泵的流量；温湿度传感器节点可用于工厂各区域温湿度数据的采集，包括综合动力站房、空压站以及配电室；模拟量输入节点可用于工厂各区域数据的采集，包括工厂综合动力站房的直燃机组的温湿度、空压站的温湿度、配电室的温湿度、消防生产生活水泵房的给水管压力、软水池的水位及水的温度；开关量输入输出控制节点可用于控制厂房风机的启停并提供故障报警功能；这一层级的节点设备主要负责对工厂各部分的监控，及时地上传变送器传感器信息与接收由中继转发的无线集中器控制命令；

第二层是由中继节点组成，中继节点主要起路由转发功能，向上将节点数据转发到集中器，向下将集中器收到的命令转发给节点；

第三层无线集中器作为底层无线网络与组态的桥梁，主要完成6LoWPAN协议与以太网协议的转换，实现无线网络与有线网络的互联互通；

组态软件运行在总控制室的监控计算机上，能实时显示当前时段各区域的相应数据信息，并且可以实时控制厂房电机设备的启停，当发生故障报警时，监控***组态界面将自动弹出故障报警画面，监控人员可通过对故障的分析采取相应的监管措施。

本发明的有益效果在于：

本发明设计模拟量输入节点、RS485通信节点和开关量输入输出控制节点来采集数据。模拟量输入节点可以采集电压型和电流型输出变送器的模拟信息，例如温度变送器、压力变送器、超声波液位变送器、三杯式风速变送器、气体风速变送器的数据；RS485通信节点可以采集RS485输出变送器的的数据；开关量输入输出控制节点可以对工厂厂房的风机等电机设备进行控制。考虑到工业现场的环境复杂恶劣，为避免无线监控***受到过多的电磁干扰，本发明对三种无线监控节点设备加入了PCB抗干扰设计、电磁屏蔽设计和信号隔离设计，以此增强监控节点的抗干扰能力。

整个网络监测部分数据流向首先是现场变送器传感器节点设备将采集到的物理数据通过无线的方式发送给中继节点，中继节点将数据转发给无线集中器，无线集中器再将接收到的数据通过以太网传到总控制室上位机的组态软件进行实时显示。控制部分数据流向首先是总控制室的工作人员点击上位机组态界面上的启停按钮产生控制命令，后台组态软件将启停指令处理后通过以太网传到无线集中器，无线集中器再将指令以无线的方式发送给中继节点，中继节点将数据转发给控制节点模块，以此控制生产厂房屋顶风机等电机设备的启停动作。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明优选实施例的工业无线环境监控网络总体结构示意图；

图2为本发明的模拟量输入节点设备硬件结构示意图；

图3为本发明的RS485输入节点设备硬件结构示意图；

图4为本发明的开关量输入输出控制节点设备硬件结构示意图；

图5为本发明的工业无线环境监控网络软件总体结构图；

图6为本发明的CC1101射频发送和接收驱动程序流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明优选实施例的工业无线环境监控网络总体结构示意图，本发明所述***包括：工业无线环境监控节点设备和环境监控***人机交互组态界面。

所述工业无线环境监控节点设备一共有三种类型，包括RS485输入节点、模拟量输入节点、开关量输入输出控制节点、温湿度传感器节点。

图2所示模拟量输入节点设备包括电源供电模块、电流/电压转换模块、A/D转换模块、隔离模块、射频模块。

所述电源供电模块包括电源接口、浪涌保护电路、滤波电路、DC/DC电源转换电路。

所述电流/电压转换模块包括过流保护电路、电源防插反电路、滤波电路、电流/电压转换电路、共模抑制电路。

所述射频模块包括微控制器最小***电路、射频单元电路、调试接口电路、外接接口电路。

图3所示RS485输入节点设备包括电源供电模块、隔离RS-485收发器模块。

所述电源供电模块包括电源接口、浪涌保护电路、滤波电路、DC/DC电源转换电路。

图4所示开关量输入输出控制节点包括电源供电模块、功率放大模块、光电隔离模块。

所述电源供电模块包括电源接口、浪涌保护电路、滤波电路、DC/DC电源转换电路。

所述光电隔离模块包括输出信号光电隔离电路和输入信号光电隔离电路。

当监测工业现场设备运行状况时，底层无线监控节点设备会实时将传感器返回物理量数据打包上传给数据集中器，从而完成底层传感数据的上传。集中器之后会将收到的数据传至以太网中，当上位机后台数据库软件收到该数据之后，它会将数据进行解析、存储，之后交给监控组态软件进行显示，从而监控人员可通过组态界面观测整个工业现场的运行情况。

所述模拟量输入节点首先应将其与模拟量输出型传感器连接，通过上位机网络调试助手下发符合Modbus协议的数据采集指令，通信速率设置为250Kbps。这里上位机电脑的IP为192.168.1.99，集中器的IP为192.168.1.109。采集设备命令数据：0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x06、0x57、0x03、0x00、0x00、0x00、0x01。其中，第1、2个字节0x00、0x00是事务处理标识符，第3、4个字节0x00、0x00是Modbus协议标示符，0x00、0x06是后续帧的长度，0x57是从站地址(即节点的地址)，03是功能码(读操作)，第9、10个字节0x00、0x00是起始地址，0x00、0x01表示读一个寄存器。该命令通过数据集中器下发到模拟量输入节点，节点收到命令后，对传感器的输出数据进行采集，然后进行处理封包，再由数据集中器传至上位机，在网络调试助手上显示所响应的数据包。响应数据为0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x05、0x57、0x03、0x02、0xXX、0xXX。其中前8个字节表示的意义与采集命令的前8个字节相同，第9位0x02表示所采集的数据的字节长度，0xXX、0xXX即为所采集到的数值。这样***能够通过无线网络对模拟量输出型的变送器设备进行数据采集，实现采集功能。

所述开关量输入输出节点首先应在输出端接入屋顶风机一类的电机设备，控制电机时先通过上位机网络调试助手下发符合Modbus协议的数据读指令，这里上位机电脑的IP为192.168.1.99，集中器的IP为192.168.1.105。读设备命令数据：0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x06、0x55、0x06、0x00、0x00、0x00、0x08，其中，第1、2个字节0x00、0x00是事务处理标识符，第3、4个字节0x00、0x00是Modbus协议标示符，0x00、0x06是后续帧的长度，0x55是从站地址(即节点的地址)，06是功能码(写操作)，第9、10个字节0x00、0x00是起始地址，0x00、0x08表示驱动4个通道中的第4个通道导通，此次使用的通信速率设置为10Kbps。该命令通过数据集中器下发到开关量输入输出控制节点，节点收到命令后，将相应的输出通道导通，通路上的指示灯变亮，表明该路电机已被启动；然后节点再响应回复一个包含通路信息的数据包给数据集中器，应数据的中前10个字节的意义与采集命令的前10个字节意义相同。最后两个字节为当前输出口的状态指示位，此时为0x00、0x08，表明第4个通道已经导通，进而由数据集中器传至上位机，在网络调试助手上显示所响应的数据包。这样***能够通过无线网络控制电路的通断，从而起停屋顶风机等电机设备，实现控制功能。

所述RS485输入节点首先应将其与RS485输出型传感器连接，通过上位机网络调试助手下发符合Modbus协议的数据采集指令，通信速率设置为10Kbps。读设备命令数据：0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x06、0x81、0x03、0x00、0x00、0x00、0x02。其中，第1、2个字节0x00、0x00是事务处理标识符，第3、4个字节0x00、0x00是Modbus协议标示符，0x00、0x06是后续帧的长度，0x81是从站地址(即节点的地址)，0x03是功能码(读操作)，第9、10个字节0x00、0x00是起始地址，0x00、0x02表示读两个寄存器。该命令通过数据集中器下发到RS-485通信节点输入节点，节点收到命令后，对水表的输出数据进行采集，然后进行处理封包，再由数据集中器传至上位机，在网络调试助手上显示所响应的数据包。响应设备命令数据：0x00、0x00、0x00、0x00、0x00、0x07、0x81、0x03、0x04、0xXX、0xXX、0xXX、0xXX。其中前8个字节的表示的意义与采集命令的前8位相同，第9位0x04表示所采集的数据的字节长度，0xXX、0xXX、0xXX、0xXX表示采集到的传感器物理数据。这样***就能够通过无线网络对输出为RS-485型的仪器仪表进行数据采集，实现采集功能。

图5工业无线环境监控网络软件总体结构图分成以下几个部分：节点软件驱动设计、网络协议栈软件设计、数据集中器软件设计、上位机界面软件设计。

所述节点软件驱动程序包括：主控制模块程序、射频模块驱动程序、模拟量输入节点的软件设计、开关量输入输出控制节点的软件设计、RS-485通信节点的软件设计、Modbus串行链路协议驱动程序。

图6为CC1101射频发送和接收驱动程序流程图。其中发送程序流程是：首先进行初始化，包括无线射频芯片CC1101的初始化、主控芯片与射频芯片通信的SPI初始化、数据发送完成中断的初始化。然后清空CC1101发送缓冲区，将待发送的数据封装成数据包，然后通过SPI填充到TXFIFO，等待发送完成中断的产生。这样完成一次数据发送过程。其中接收程序流程是：首先进行初始化，包括无线射频芯片CC1101的初始化、主控芯片与射频芯片通信的SPI初始化、数据接收中断的初始化。然后射频模块等待接收中断的产生，一旦产生接收中断，SPI读取RXFIFO中的数据，然后对数据进行处理。处理完成后，清空RXFIFO，等待下一次的接收中断。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***，其特征在于：包括工业环境无线监控节点设备、中继节点设备、无线集中器和环境监控***人机交互组态界面；

所述工业环境无线监控节点设备包括RS485输入节点设备、模拟量输入节点设备、开关量输入输出控制设备、温湿度传感器节点设备；所述RS485输入节点设备与485输出型传感器相互通信，将传感器采集到的数据经过隔离、转换传送至470MHz射频模块；所述模拟量输入节点设备与模拟量输出型传感器相互通信，将传感器采集到的数据经过隔离、转换传给470MHz射频模块；所述开关量输入输出控制节点设备通过接收数据集中器下发的控制命令，控制继电器对电机设备进行起停操作；所述温湿度传感器节点设备用于测量各厂区环境中的温度和湿度。

2.根据权利要求1所述的一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***，其特征在于：所述环境监控***人机交互组态界面具有视察图形用户界面，为操作人员和开发人员提供监控环境，实现对象自由组态及动态属性的在线配置、现场动态数据采集、数据处理、状态监控、远程控制、报警、参数设置、报表生成等功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于433MHz频段的工业现场环境无线监控***，其特征在于：所述无线监控***整个网络呈带状分布，共分为3层；

最底层无线环境监控节点由RS485输入节点、模拟量输入节点、开关量输入输出控制节点、温湿度传感器节点组成；RS485通信节点设备可用于测量消防生产生活水泵的流量；温湿度传感器节点可用于工厂各区域温湿度数据的采集，包括综合动力站房、空压站以及配电室；模拟量输入节点可用于工厂各区域数据的采集，包括工厂综合动力站房的直燃机组的温湿度、空压站的温湿度、配电室的温湿度、消防生产生活水泵房的给水管压力、软水池的水位及水的温度；开关量输入输出控制节点可用于控制厂房风机的启停并提供故障报警功能；这一层级的节点设备主要负责对工厂各部分的监控，及时地上传变送器传感器信息与接收由中继转发的无线集中器控制命令；

第二层是由中继节点组成，中继节点主要起路由转发功能，向上将节点数据转发到集中器，向下将集中器收到的命令转发给节点；

第三层无线集中器作为底层无线网络与组态的桥梁，主要完成6LoWPAN协议与以太网协议的转换，实现无线网络与有线网络的互联互通；

组态软件运行在总控制室的监控计算机上，能实时显示当前时段各区域的相应数据信息，并且可以实时控制厂房电机设备的启停，当发生故障报警时，监控***组态界面将自动弹出故障报警画面，监控人员可通过对故障的分析采取相应的监管措施。