ZigBee技术在物联网智能环保工控中的应用研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 2.98MB 58 页 15积分
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摘 要
本文阐述了 ZigBee 模块在工业传感网络的应用。在物联网的思想指导下，开
放思维并作出大胆尝试，采用分布式存储和分布式计算的方法，设计并实现了一
个基于 TCP/IP 的中央监控平台，并将分布于各地的工业现场纳入传感监控平台的
监控和存储体系中，形成小规模的存储和传感网络。
目前的条件来说，监控网络所拥有的工业现场是很有限的，但中央-远端网络
在物理上具有极大的可拓展性，并随着远端个数的逐渐增多，监控系统的存储体
系和计算能力也将逐级增强，并最终实现具有一定规模的分布式网络。
本文从物联网的指导思想起论述，对目前国际国内的形式和最新的研究技术
做了分析比较，指定了最有利于自身实现的软硬件方案，并对方案的实现做了探
讨和描述，对中央-远端平台的实现做了一定阐述，最后阐明了传感网络的发展动
力和发展轨迹。
除此，本文还阐述了冷储行业的工业传感网络的企业方案。当前无线传感网
络已在世界范围内的各个行业普遍开展起来，该方案是传感网络技术在工业控制
领域的实践和尝试。在方案的信息采集端采用了 ZigBee 的通信策略，并对网络的
构建做了设想，在本文中对企业方案的细节做了讨论，包括硬件模块的设计实现，
服务器的方案讨论实现。当然这只是企业方案的起步，所实现的也只是一个企业
级传感网，虽然在数量级上还没有到达物联网的级别，但可以预见的是，随着工
控传感网络的不断拓展，最终会实现传感监控网。
最后我们可以总结出，RFID 技术是传感网络的技术基础，无线传感网络的发
展需要 RFID 技术的不断提升，ZigBee 技术在工控传感网络中有着独特的技术优势，
ZigBee 技术也将成为监控云存储系统的最佳组网方案。
关键词：ZigBee 传感网络 工业监控 服务器 TCP/IP
ABSTRACT
In this paper, we make a bold attempt to introduce the application of distributed
storage and distributed computing and then describe a platform server used in the
refrigeration industrial.
We analysis the latest technology of the internet of things and then make some
comparison, especify the implementation methods of its hardware and software, and
finally we elaborated the development of the sensor network.
We describes how to implement a sensor network in this paper, the wireless sensor
network has been generally carried out in various sectors in the worldwild, the program
is a sensor network technology in the field of industrial control a useful attempt. In the
program's information collection side uses ZigBee communications strategy, and
network construction are described in detail in this paper the details of the enterprise
solutions were discussed, including the design and implementation of hardware modules
and the server platform. Of course, this is just business program started, only achieved
an enterprise-class sensor networks, although the magnitude has not reached the level of
internet of things, but we can expected that, with the continuous development of
industrial sensor networks, and ultimately it will achieve sensing cloud at the end.
Finally, we can conclude that RFID technology is the basis of sensor network and
wireless sensor networks require the development of RFID technology continues to
improve, ZigBee technology has unique technological advantages in the industrial
sensing network, ZigBee will be the best technology to implement the sensor network.
Keywords : ZigBee, Sensor Network, Industrial Monitoring, Server,
TCP/IP
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论...................................................................................................................1
§1.1 课题背景及研究意义.......................................................................................1
§1.2 研究领域及研究动态.......................................................................................2
§1.2.1 物联网的关键研究领域.........................................................................2
§1.2.2 物联网世界范围内的研究动态.............................................................3
§1.3 物联网在行业内的实现...................................................................................3
§1.4 实现的技术难点...............................................................................................5
§1.5 工业监控“云“策略.......................................................................................6
§1.6 论文组织结构...................................................................................................6
第二章 工控传感网络建网方案...................................................................................7
§2.1 RFID 是传感网络技术基础..............................................................................7
§2.2 ZigBee 构建无线传感网络..............................................................................8
§2.2.1 ZigBee 的技术特征................................................................................8
§2.2.2 ZigBee 构建无线传感的优势..............................................................10
§2.3 ZigBee 的网络拓扑结构 ...................................................................................10
§2.4 ZigBee 数据传输机制....................................................................................12
§2.4.1 数据通信中的传输机制.......................................................................12
§2.4.2 ZigBee 数据传输机制..........................................................................13
§2.5 ZigBee 协议架构和各层规范 ...........................................................................14
§2.5.1 ZigBee 物理层规范..............................................................................14
§2.5.2 ZigBee MAC 层规范..............................................................................15
§2.5.3 ZigBee 网络层规范..............................................................................16
§2.6 本章小结.......................................................................................................... 17
第三章 本地监控网络设计实现.................................................................................18
§3.1 模块总体设计.................................................................................................. 18
§3.1.1 系统设计框图.......................................................................................18
§3.1.2 系统的模块划分...................................................................................18
§3.2 模块实现过程中的问题................................................................................. 21
§3.3 通信模块的软件设计...................................................................................... 22
§3.3.1 请求自动状态机 ..................................................................................... 23
§3.3.2 响应自动状态机 ..................................................................................... 24
§3.4 本地监控系统的软件设计.............................................................................. 25
§3.5 本章小结.......................................................................................................... 29
第四章 工业监控网络实现.........................................................................................30
§4.1 监控网络的形成............................................................................................. 30
§4.1.1 方案讨论 ................................................................................................ 31
§4.1.2 方案实施 ................................................................................................ 32
§4.2 远端嵌入式服务器方案................................................................................. 34
§4.2.1 远端服务器功能要求 ............................................................................. 34
§4.2.2 远端服务器实现方案 ............................................................................. 35
§4.3 监控网络的数据传输格式............................................................................. 35
§4.4 监控网络的数据传输流程............................................................................. 36
§4.5 本章小结.......................................................................................................... 37
第五章 监控服务器的设计及优化.............................................................................38
§5.1 服务器模块化设计......................................................................................... 38
§5.2 服务器流程设计............................................................................................. 39
§5.2.1 监听线程设计 ........................................................................................ 40
§5.2.2 远端服务线程设计 ................................................................................ 42
§5.2.3 数据投递线程流程 ................................................................................ 43
§5.3 服务器端优化策略......................................................................................... 44
§5.3.1 服务器其他模块设计 ............................................................................ 44
§5.3.2 服务器平台的选择及实现 .................................................................... 44
§5.4 运行效果展示..................................................................................................44
§5.5 本章小结......................................................................................................... 47
第六章 结论与展望.....................................................................................................48
参考文献.........................................................................................................................52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................55
致 谢.........................................................................................................................56
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景及研究意义
人脑中的一个神经元所能感知的信息及其有限，但人类之所以拥有了大自然最
智慧的灵力，是因为有数亿万亿的神经元有机组成了一个庞大的神经网络，每个
神经元将感知的信息传递给邻接的神经元实现了对外界万物的感知，即使再纷繁
的外界信息也可以被轻易的捕获处理。我们试想这样一个物理的世界里，每一个
细小的物体也具有了这样感知信息传递信息的能力，万物有机组成了一个庞大的
电子神经系统，这样的世界里，灾难的预测，环境的监控，资源的合理利用变得
科学有效，人类的工作生活均运转再这样一个电子神经网络里，也许这不仅仅是
一次科技的革命，更是一次思想的革命。
要使我们的通信世界达到一个新的维度，突破时空的局限，达到一种能够在
温和时间和地点，同想要沟通的人甚至是物体之间实现无障碍通信，国际电信联
盟为我们做了这样描述，而这种描述的实现方式便是在我们身边的用品中嵌入一
种小巧灵活的短距离移动收发器。或许现在我们还很不习惯让一个个传感器去告
知我们该做什么事，但这个万物相连的时代已经悄然来临！
ZigBee 技术的初衷就是建立容易布置且形成规模的无限通信网络，其诸多优
点使其成为当前构建实用规模的物联网成为可能，在某一个行业内形成产业规模，
这对推动真个物联网的建设发展具有重要的推动作用。利用物品的自动识别和信
息的互联和共享，构造出一个覆盖世界万物的 Internet of Things,这个概念打破
了传统的思维，将我们所生活的世界万物理解为一个个电子神经元，生产管理，
社会生活无时无刻不在运转其中。
RFID 技术使得每一个电子神经元都有一个独一无二的身份，但确存在着读写
距离大量数据存储和功能拓展方面的问题。如果说 RFID 使得物联网中的万物区别
成为一个个独立的神经元，无限移动数据通信技术就是连接这些神经元的神经中
枢，使得神经元得以有效的信息传递。ZigBee 技术就是这种神经中枢的有效实现。
一个通用的 RFID 系统不仅读写器要求安置，RFID 系统中的标签与读写器之间是一
种主从关系，他们之间完全依赖 RFID 标签耦合或反射出的信号，这在一定程度上
限制了系统布局的灵活性，在一定程度上说，RFID 仅仅实现了‘识别’而不是真
正的‘传递’。RFID 系统覆盖范围非常有限，而通过加大高频微波功率的方式来
增加通信距离非常困难，过大的功率不仅超出法规限定，还可能对人体自身造成
伤害。
ZigBee 有效的弥补了 RFID 诸多弊端。结合了网络通信功能的 ZigBee 技术，
ZigBee 技术在物联网智能环保工控中的应用研究
2
给身份识别和管理技术注入了新的活力。ZigBee 应该算是介于 RFID 和蓝牙之间，
具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其 PHY 层和 MAC 层协议采用
IEEE802.15.4，大大拓展了 RFID 的传输距离，相比与目前的无限通信技术来讲，
ZigBee 技术无疑在很大程度上弥补了 RFID 技术通信距离过短，以及必须主从通信
的弊端，有效实现了信息的传递：以一种接力的方式将信息从一个电子神经元传
递到另一个电子神经元，实现数千个电子神经元相互协调实现通信，电子神经元
只需极少的能量消耗确具有极高的通信效率，在无线网络传输方面更显优越性。
一般而言，随着通信距离的增大，设备成本和系统成本均在均增加，ZigBee
技术将是现有无线通信技术中最低功耗和成本的技术，同时由于其低数据速率和
通信范围较小的特点，这是 ZigBee 的出发点，建立一种易于实施的低成本无线网
络，从而弥补低成本低功耗低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富
而便捷的应用，而不是技术本身，从大的方面来讲，构建物联网也应该以构建数
量大、范围广、易普及的方式迅速形成一定规模，ZigBee 的诸多优势使得其未来
无线监控应用的主流。
ZigBee 技术的大规模商业应用尚存在着各种因素的制约，但在智能家居、医
疗护理、食品监测、工业与环境控制等领域，ZigBee 技术的应用越来越趋向成熟。
ZigBee 规范仍在不断完善，其应用领域也将得到不断拓展，并且已经展示出巨大
的普及潜力和商业价值。
如今的工业应用往往具有多个控制中心，大量的数据采集点，需要有效的手
段实现传感器和中心控制单元间的数据交换，尤其是在特殊的工业现场，或是偏
僻的地区，实现电缆的通信几乎不可能，有效的无线传输技术呼之欲出。ZigBee
技术是最近发展起来的一种短距离无限通信技术，复杂度以及成本和功耗极低，
被业界认为是最有可能应用在工业控制场合的无限方式。试想在一个优雅的控制
中心浏览每一个监控点的状况，信息中心已经自动作出了数据分析并且给出了最
佳方案，同这样一个无所不知无所不能的“中枢神经系统”进行交互将是一件多
么惬意的事情！
§1.2 研究领域及研究动态
§1.2.1 物联网的关键研究领域
虽然物联网的研究在各国仍处于起步阶段，其关键研究领域目前主要集中在
RFID 技术、传感器、嵌入式软件和数据传输和计算等领域。
我国对物联网的研究技术和研究水平处于世界前列，结合我们自身的状况，
物联网的发展仍存在瓶颈：国内 RFID 以低频为主，RFID 高端芯片等核心领域无法
实现产业化；高端传感器产品被国外厂商垄断，国内传感器产业化水平较低；实
摘要：

摘要本文阐述了ZigBee模块在工业传感网络的应用。在物联网的思想指导下，开放思维并作出大胆尝试，采用分布式存储和分布式计算的方法，设计并实现了一个基于TCP/IP的中央监控平台，并将分布于各地的工业现场纳入传感监控平台的监控和存储体系中，形成小规模的存储和传感网络。目前的条件来说，监控网络所拥有的工业现场是很有限的，但中央-远端网络在物理上具有极大的可拓展性，并随着远端个数的逐渐增多，监控系统的存储体系和计算能力也将逐级增强，并最终实现具有一定规模的分布式网络。本文从物联网的指导思想起论述，对目前国际国内的形式和最新的研究技术做了分析比较，指定了最有利于自身实现的软硬件方案，并对方案的实现做...

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