设计基于嵌入式系统和ZigBee的工业实时测量和监控系统外文翻译资料

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设计基于嵌入式系统和ZigBee的工业实时测量和监控系统

摘要

随着工厂的自动化程度不断提高，工厂的楼层正在被机械覆盖。拥有机械的地方对于人员操作来说更为困难和危险。该系统尝试使用ZigBee嵌入式系统来提高工业安全和质量。除了形成现有的典型监控功能外，该系统还利用ZigBee无线传输技术进行远程监控。该系统平台的工业应用测量项目包括长度过滤，地面振动检测，重量分级，电力感应，能量监测，温度监测和二氧化碳浓度。我们将ZigBee结合嵌入式系统应用于工业实时测量，这代表了创新技术。除了在本研究中讨论系统平台之外，还讨论了测量数据的统计和分析。使用该系统执行有线和无线同步测量，而且监控可以实现正确和高效的工业监控操作。

关键词：线性差动变压器、ZigBee无线传感器、工业网络监控、传感器电力、传感、能量监测

1. 介绍

由于工业发展，工厂的建设越来越多。然而，安全问题也越来越多。设备故障，人为错误和自然灾害只是几个例子。这些因素造成的伤害和损害越来越普遍，近年来工厂安全已经成为一个重点突出的话题。

经过基于“人为因素”的人身安全调查，结果显示认识人格特质和改善人事交流不能完全解决安全问题。在本研究中，我们使用信号处理将多个传感器接收的模拟信号转换为多个数字信号，然后对信号进行标准化。 DAQ用于执行有线传输，LABVIEW程序设计用于功能监控; ZigBee被用于无线传输，将所有独立的传感器信号整合到允许中央化和实时控制的接口中。中央管理可以节省劳动力，提高效率，大大降低工业安全成本;通过网络传输实现了重新监控和处理，提高了工业安全的安全性和效率。

1. 文学调查

Miroslav Sveda（Ou，Chung，Sung，＆Chung，2006）这篇文章介绍了以局域网为基础的工业传感器应用，然后综合基于案例的推理（CBR）来利用这一概念来保护设备。 Giuseppe认为，产品质量需要保持一致，不同的假设决定了测量的中心价值范围。因此，他声称需要执行额外的测量，并考虑所有范围分布，以便使这些有效过程标准化和国际化，并达成明确的结论。 Stuchly和Bassey提出了一种使用微传感器的工业测量概念，并讨论了配备传感器的传输线的工业应用的基本电磁波特性和原理。除了提供DAQ应用，Kochan，Sachenko和Tur-chenko还介绍了噪声消除和ADC处理工业测量的实验结果。 Wiran-di，Kulesza和Lauber提出了一个可靠的在线工业自动化测量系统，改进了侧面清除过程以及产品质量分析，并显示人为因素不能忽视，但测量过程可以完全自动化。 Misgra，Panda和Das提出了一种更简单的方法来设计和开发基于LVDT的传感器系统，主要用于扩展线性调节范围，并与神经网络结合使用以克服手动调整的困难;米什拉也用电脑来生产实际的仿真数据。福特，魏斯巴赫，洛克认为由于信号处理复杂，商业利用LNDT的困难，因此开发了使用双边带抑制载波（DSBSC-AM）的通信系统来改善问题。福特等使用输入到LVDT的SIN波通过用于处理这些信号的平台来发送信号和重新接收信号到数字信号。信号通过该系统处理成最佳信号，解决信号处理的复杂性，并增加线性调整范围，从而减少手动调整的难度。 Drumea，Vasilem，Comes和Blejan认为，LVDT可用于液压，压力和电子机械的测量以及功率的分配; LVDT具有相当广泛的使用范围，也相对准确（0.1％误差）和低损耗。然而，从方波发生器输入5kHZ SIN波然后输出同步解调信号的信号处理方法比较复杂。因此，Drumea和Vasile建议使用MSP430F149芯片作为LVDT的信号补丁来改善此问题;该芯片还具有额外的功能，例如提供串行通信和故障测试。 Saxena和Lal seksena提出了一种依赖于类型的补偿性LVDT。实验结果表明，在受到外部环境影响的情况下，高敏感性和高线性变化生产产生的变化并不过分;该系统实际上提供了温度补偿，即使在恶劣的环境中也能保持较好的数据传输质量。 Flammini，Marioli，Sisinni和Taroni提出使用LVDT进行速度和加速度评估。使用这种方法克服了更传统的转换过程的局限性;这种方法也有助于理解计算功能，现在用于数字信号处理模块操作（DSP）领域。 Kano，Hasebe和Huang提出了一种使用LVDT作为线性电动机的位置检测;该结构也比通常用于位置检测的结构更简单。

1. 系统结构

该系统可根据操作过程分为三部分：传感器端子（LVDT，温湿度，能量监测，二氧化碳浓度，电力感应），路由节点（GIO-ZM）和中央网络服务器主机 监视系统。

可以在传感器端子上安装不同的传感器，实现对所需数据的监控，发挥Zig-Bee平台的作用。 中央数据管理终端由中央主节点GIO-ZM主机和PC组成; 两者可以通过蓝牙或其他无线传输方式实现数据传输。

1. 集成ZigBee嵌入式系统的描述
2. ZigBee特性

ZigBee是一种短距离，简单的结构，低功耗和低传输速率的无线通信技术。它的传输范围为100米，使用免费的900 MHz和2.4 GHz传输频率。 ZigBee的传输速率为20 Kbps至250 kbps;其网络结构具有Mas-ter / Slave属性，可以提供双向通信的功能。目前，ZM03使用2.405-2.480 GHz频率;另外，由于传输速率低，传输数据量少，发送和接收时间保持较低。在非工作模式下，ZigBee处于睡眠模式。在工作和睡眠模式之间的转换时间内，正常的睡眠激活时间只需15 ms，设备搜索时间只需要30 ms，使ZigBee节省电量。 ZigBee的MAC级别利用了一个即时就绪的冲突防范机制：当需要时立即传输数据，并且确认每个发送的数据分组被接收者接收并且用确认消息进行响应;如果没有接收到确认消息，则发生冲突并再次发送数据分组。这种方法大大提高了系统数据传输的可靠性。此外，ZigBee网络最多可以包含255个节点，使其可扩展（Lin，Liu，＆Fang，2007a）。

1. ZigBee标准设置

ZigBee软件和硬件标准主要由IEEE 802.15.4和ZigBEE联盟组织设定。 物理层（PHY），媒体存储控制层（MAC）和数据链路层的开发由IEEE领导，而ZigBee联盟负责确定逻辑网络，数据传输加密机制，应用接口规范和 系统产品之间的通信规格。在网络层，ZigBee支持Star，Cluster Tree和Mesh三种网络框架， 节点的角色可以分为全功能设备（FFD）和减功能设备（RFD）。 与FFD相比，RFD的电路更简单，内存更少。 FFD节点配备了控制器功能来提供数据交换，而RFD只能传输数据或从FFD接收数据（Lin，Liu，＆Fang，2007b）。

1. ZigBee与其他无线通信业务的比较

在比较ZigBee与其他无线通信技术方面，在区域网和个人网络的无线通信技术面上，802.11系列技术（Wi-Fi）以无线局域网（WLAN）为中心 ）用于数据传输。 另一方面，蓝牙，UWB和ZigBee是无线个人区域网络（WPAN）技术。 蓝牙标准具有几百Kbps的传输速率，因此适合于数据传输; 它还具有语音应用的QoS机制。 UWB（超宽带）具有高速和QoS，适用于多媒体应用。 ZigBee标准的特点包括低功耗，低成本，符合工业，家庭和医药的控制和传感需求; ZigBee对数据传输速率和QoS要求不高。 另外，在比较目前流行的蓝牙技术和ZigBee。

1. 显示ZigBee的功耗远远低于蓝牙; 由于其低功耗，与蓝牙相比，ZigBee具有较低的传输速率。 在网络节点数量的扩展灵活性方面，由于支持网状拓扑，ZigBee具有很强的扩展能力。

ZigBee的应用领域包括家庭自动化，家庭安全，医院整体医疗保健和工业自动化。 ZigBee可以与家用电器，消费电子，PC外围设备和传感器等产品结合使用，提供家用电器感应，无线PC外围设备控制和家用电器遥控等功能（Lin＆Liu，1997）。

1. 传感器元件研究方法

LVDT组件：LVDT（线性可变差动变压器）由三个环，主环N1和次环N2和N3组成。可移动的杆状铁芯插入在主环和次级环之间;对主环N1的输入端施加交流电压产生具有副环N2和N3的磁通。随着铁芯的移动，N2和N3将感测不同强度但具有相同相位的电压。LVDT是最常用于质量控制的传感器装置类型。LVDT的灵敏度高，精度高，体积小，重量轻，耐用性好，适合使用。

不同无线服务网络的比较： ZigBee与WLAN和蓝牙的比较。 在需要准确测量的任何情况下;其应用范围由于缺乏温度和湿度限制而扩大。此外，LVDT还用于位移距离测量，利用良好的线性度进行距离测量。还存在压力LVDT，将压力转化为距离运动，然后在感测电压大小时使用LVDT原理来表示施加压力的大小。我们的系统使用与当LVDT的铁芯测量一定长度或振动时产生的变化相当的信号;信号通过用于放大的放大电路，输入到有线或无线设备中，然后用于精确的分级系统中以进行长度和深度测量或振动。另外，由于该装置不需要对LVDT本身施加额外的电压，所以将plusmn;12V的电压输入到放大电路就足够了;这允许精密制造后的相当小的体积安装。

传感元件：本研究中使用的传感器组件是通过将LEM HAS 50-S（一种霍尔组件）与差分放大器连接形成的电流传感器。物理学家Edwin H. Hall将电流引导到Y方向导电板上，然后将磁场施加到方向Z（面向自身），直到电流方向。此时，带电粒子被与其方向X的运动垂直的磁力抵消;更强的磁场导致更严重的偏移。偏移的结果导致带电粒子积聚在导电板的边缘上，形成被称为霍尔电压的电位差。该霍尔电压防止带电粒子的进一步偏移，使得它们继续以直线移动。根据欧姆定律，将水平霍尔电压除以垂直电压被称为霍尔电阻。较大的磁场导致更大的霍尔电阻。另外，由于霍尔元件基本上是四个端子元件，所以相位电压将积聚在霍尔元件中。因此，必须连接组件后面的差分放大器以去除电压并放大输出信号以便于观察。该系统可用于测量电流的存在或控制电流的大小。我们将该电流传感器的测量值设置为0-2安培，测量范围可根据需要增加或减少（Chen，Tu，＆Weng，1990）。

在本研究中，我们使用电流传感器将感应电流通过霍尔元件转换为电压信号; 然后，使用放大电路将信号输入到有线和无线设备。 使用电源产生电流，使得霍尔元件HAS 50-S可以感测0-2安培的电流，从而使传感器电压在一定范围内。 使用放大电路将传感器电压放大至1-5V（Chung，Hsieh，＆Yeh，2001）。通过将霍尔组件（LEM HAS 50-S）与差分放大器连接而形成的电流传感器。霍尔组件基本上是四个端点组件; 霍尔元件中的同相电压累积。 因此，背面必须连接差分放大器以去除电压，并放大输出信号以便于观察。

ZM04组件：ZM04通常应用在机器到机器无线通信设备中。在硬件方面，ZM04提供工业标准数字信号输出和达林顿输出以及10 V至 10 V模拟信号输入。标准802.15.4用于无线传输;使用Mesh，Star和Cluster-tree灵活的网络拓扑来提高网络可靠性，从而满足不同距离的无线应用需求。ZM04的应用领域包括照明，加热和制冷控制，工业建筑和自动化，医疗，宵禁执法和RFID。本研究中使用的ZM04采用温度，湿度和CO2传感器构建，可连接到输出0-5 V信号的不同类型的传感器;进行模数转换信号处理，之后将数据发送到GIO-ZM接收机。

GIO-ZM组件：GIO-ZM规格有：AMD pcs和CC2430的Geodetrade;集成处理器;它集成了嵌入式系统控制平台和ZigBee无线传输技术和信息控制系统。GIO-ZM使用Windows XP Embedded操作系统，并支持以太网网络连接功能。GIO-ZM可以应用于远程数据采集，逻辑控制/调度控制和后端网页数据库等网络功能。它还可以利用不同的拓扑或点对点方法来形成短距离网络连接和数据传输。 GIO-ZM可以组合以太网连接和无线功能，实现远程无线数据传输和集成，形成一个整体的无线框架。本研究使用GIO-ZM接收ZM04发送的数据，然后在LCD显示器上显示数据。能量监测组件：将负载连接到能量监视器后，能量监视器可以显示感测的电流电压;功率效率百分比和功率因数也被显示和输出。 Labview然后用于开发用于监控的固件。利用负载电压电流和功率因数观察功能，LabView监控屏幕可用于开启和关闭负载（Ou，Chung，＆Sung，2006）。

6、研究方法

系统框图：通过线性IC放大传感器（LVDT，电流检测，二氧化碳浓度，能量监测）通过有线器件（DAQ）和无线设备提取信号后，LabView用于开发，设计和集成ZigBee嵌入式系统。 然后，我们使用有线和无线接口执行监控，然后可以使用七级显示器在标准化后显示和输出信号。

厚度过滤：该传感器组件采用LVDT开发，适用于工业测量项目的厚度滤波。这种过滤功能可以主要用于输送带上货物的厚度测量，以作为质量控制的基础。仪表显示了两组数据：标准厚度（cm）和测量项目的厚度。当测量厚度超过标准厚度时，图中的光将变为红色，表示反射; 否则，灯会变绿。

环绕振动感应：传感元件采用LVDT开发; 该功能适用于工厂机械振动强度（gal）的测量，作为工厂安全参考。图中的仪表显示了两组数据：测量机械的安全振动强度和实际机械振动强度。当仪器测得的机械振动强度超过设定的安全振动强度时，9（c）变红，表明目前的机械振动强度对安全构成威胁; 该功能还将记录发生的时间以及振动强度和发生次数。

重量级：该感测组件是使用LVDT开发的。该功能适用于重量分级，主要适用于商

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