基于6LoWPAN和WiFi的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的設計研究.pdf

1、工業(yè)數(shù)據監(jiān)控系統(tǒng)能為監(jiān)管人員提供反映生產狀況的實時數(shù)據和歷史數(shù)據，傳統(tǒng)有線式監(jiān)控系統(tǒng)需要鋪設線路，維護與升級成本高。傳統(tǒng)無線式監(jiān)控系統(tǒng)基本解決了上述問題，但也存在著網絡連接過程繁瑣，通用性差和難以兼顧性能與功耗等缺點。針對上述問題，設計了一種基于物聯(lián)網領域研究熱點的6LoWPAN網絡和WiFi網絡相結合的無線監(jiān)控系統(tǒng)，能在克服傳統(tǒng)無線監(jiān)控系統(tǒng)問題的同時，完成對工業(yè)現(xiàn)場的煙霧、液位、溫度、壓力和流量等數(shù)據的監(jiān)控，為監(jiān)管人員提供實時可靠的信

2、息。
　　本文以堿回收燃燒工段數(shù)據監(jiān)控為研究背景，根據對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，在監(jiān)控系統(tǒng)的方案制定、軟硬件系統(tǒng)設計及實際應用等方面做了以下研究工作。
　　(1)基于6LoWPAN和WiFi相結合的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)方案設計
　　根據工業(yè)監(jiān)控的實際要求，選用低功耗的處理器進行數(shù)據采集，以通用性強的6LoWPAN網絡和WiFi網絡實現(xiàn)數(shù)據的無線傳輸。6LoWPAN節(jié)點和WiFi節(jié)點分別通過邊界路由器和無線路由器與上位機

3、或云服務器進行雙向通信。對于6LoWPAN節(jié)點，選擇占用內存少、方便移植的Contiki作為其運行環(huán)境，并以組網速度快的RPL協(xié)議作為其組網協(xié)議。對于WiFi節(jié)點，選用輕量級的FreeRTOS作為其運行環(huán)境，并以組網方便的AirKiss協(xié)議作為其組網協(xié)議，在此基礎上最后確定了整個系統(tǒng)的方案。
　　(2)基于6LoWPAN和WiFi的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計
　　針對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據采集與傳輸?shù)裙δ埽瓿闪?LoWPAN節(jié)點、邊界

4、路由器和WiFi節(jié)點的硬件電路的設計，選用CC2530作為6LoWPAN節(jié)點和邊界路由器的主控單元。WiFi節(jié)點采用芯片ESP8266為控制器。各節(jié)點外擴了模擬量和數(shù)字量的采集接口，邊界路由器擴展了無線和有線的通信接口和調試接口。
　　(3)基于6LoWPAN和WiFi的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計
　　為了實現(xiàn)高效的數(shù)據采集、處理和傳輸?shù)墓δ埽謩e在Contiki和FreeRTOS下，設計了6LoWPAN節(jié)點和WiFi節(jié)點的系統(tǒng)

5、初始化程序、組網程序、底層驅動程序、數(shù)據采集和處理程序、線程或任務的調度程序，數(shù)據傳輸與處理程序。在6LoWPAN節(jié)點與上位機通信中，實現(xiàn)了邊界路由器的雙向NAT64轉換。分析了PyQt上位機的設計流程與要點，在上位機后臺搭建了UDP服務器，上位機可在局域網或廣域網內對收集到的數(shù)據進行處理并輸出到監(jiān)控主界面，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。
　　(4)數(shù)據監(jiān)控系統(tǒng)在堿回收燃燒工段中的應用
　　根據堿回收燃燒工段的監(jiān)控需求及各參數(shù)變化的實際

6、情況，選取了相應的傳感器，設計了由10個6LoWPAN節(jié)點和14個WiFi節(jié)點組成的數(shù)據監(jiān)控系統(tǒng)。在系統(tǒng)投運前，對6LoWPAN和WiFi節(jié)點的數(shù)據采集功能，各節(jié)點與上位機的雙向通信等功能進行了測試。除此之外還設計了基于PyQt的監(jiān)控軟件，通過與本地傳感器所測的結果進行對比，驗證了本數(shù)據監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。上位機除了能自動顯示各節(jié)點的實時數(shù)據之外，也能查看歷史數(shù)據。最后對在系統(tǒng)測試與應用過程中遇到的問題進行了分析和總結。
　　使用低