论文部分内容阅读
工业数据监控系统能为监管人员提供反映生产状况的实时数据和历史数据,传统有线式监控系统需要铺设线路,维护与升级成本高。传统无线式监控系统基本解决了上述问题,但也存在着网络连接过程繁琐,通用性差和难以兼顾性能与功耗等缺点。针对上述问题,设计了一种基于物联网领域研究热点的6LoWPAN网络和WiFi网络相结合的无线监控系统,能在克服传统无线监控系统问题的同时,完成对工业现场的烟雾、液位、温度、压力和流量等数据的监控,为监管人员提供实时可靠的信息。本文以碱回收燃烧工段数据监控为研究背景,根据对工业现场数据监控系统的需求分析,在监控系统的方案制定、软硬件系统设计及实际应用等方面做了以下研究工作。(1)基于6LoWPAN和WiFi目结合的工业监控系统方案设计根据工业监控的实际要求,选用低功耗的处理器进行数据采集,以通用性强的6LoWPAN网络和WiFi网络实现数据的无线传输。6L0WPAN节点和WiFi节点分别通过边界路由器和无线路由器与上位机或云服务器进行双向通信。对于6LoWPAN节点,选择占用内存少、方便移植的Contiki作为其运行环境,并以组网速度快的RPL协议作为其组网协议。对于WiFi节点,选用轻量级的FreeRTOS作为其运行环境,并以组网方便的AirKiss协议作为其组网协议,在此基础上最后确定了整个系统的方案。(2)基于6LoWPAN和WiFi的工业监控系统的硬件设计针对监控系统的数据采集与传输等功能,完成了6LoWPAN节点、边界路由器和WiFi节点的硬件电路的设计,选用CC2530作为6LoWPAN节点和边界路由器的主控单元。WiFi节点采用芯片ESP8266为控制器。各节点外扩了模拟量和数字量的采集接口,边界路由器扩展了无线和有线的通信接口和调试接口。(3)基于6LoWPAN和WiFi的工业监控系统的软件设计为了实现高效的数据采集、处理和传输的功能,分别在Contiki和FreeRTOS下,设计了6LoWPAN节点和WiFi节点的系统初始化程序、组网程序、底层驱动程序、数据采集和处理程序、线程或任务的调度程序,数据传输与处理程序。在6LoWPAN节点与上位机通信中,实现了边界路由器的双向NAT64转换。分析了PyQt上位机的设计流程与要点,在上位机后台搭建了UDP服务器,上位机可在局域网或广域网内对收集到的数据进行处理并输出到监控主界面,实现远程监控功能。(4)数据监控系统在碱回收燃烧工段中的应用根据碱回收燃烧工段的监控需求及各参数变化的实际情况,选取了相应的传感器,设计了由10个6LoWPAN节点和14个WiFi节点组成的数据监控系统。在系统投运前,对6LoWPAN和WiFi节点的数据采集功能,各节点与上位机的双向通信等功能进行了测试。除此之外还设计了基于PyQt的监控软件,通过与本地传感器所测的结果进行对比,验证了本数据监控系统的可靠性。上位机除了能自动显示各节点的实时数据之外,也能查看历史数据。最后对在系统测试与应用过程中遇到的问题进行了分析和总结。使用低功耗的硬件电路,低开销的操作系统和协议栈,并在软件上对功耗进行优化,可有效降低节点的功耗。依靠多种传感器硬件接口、易于扩展节点的6LoWPAN网络和WiFi网络以及能快速组网的RPL和AirKiss协议,提高了系统的通用性。对比传统无线监控系统,该监控系统形成了超低功耗和通用性强的优势,能更为高效和方便地向监管人员提供稳定可靠的生产数据,并在碱回收燃烧工段中得到了应用,具备一定的研究和应用价值。