專利名稱：低功耗無線自組網(wǎng)工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電子信息技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種基于低功耗無線自組網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工業(yè)是我國能源消費的最大行業(yè)，特別是工業(yè)生產(chǎn)使用的大型生產(chǎn)設(shè)備功率高，耗能量大。由于沒有完善、便捷的節(jié)能監(jiān)測手段，通常企業(yè)工作人員節(jié)能意識不強，導(dǎo)致設(shè)備低負(fù)荷運轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)、車間、辦公室等場所經(jīng)常出現(xiàn)長明燈、在沒人的情況下空調(diào)、烤火爐照樣工作等現(xiàn)象，浪費能源情況嚴(yán)重?，F(xiàn)有的無線抄表系統(tǒng)，僅僅抄收的是單一能源品種的總能耗量，僅作為收費依據(jù)，通常沒有考慮設(shè)備加工產(chǎn)品的數(shù)量，不能針對工序能耗、單位產(chǎn)品能耗進(jìn)行統(tǒng)計分析，達(dá)不到監(jiān)督節(jié)能與激勵節(jié)能的效果。專利號為ZL201020224939. 3的實用新型“一種小型便攜式實時能耗監(jiān)測裝置”、專利號為ZL201120320637. O的實用新型“數(shù)控機床實時能耗監(jiān)測系統(tǒng)”僅能現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的能耗，沒有考慮通過網(wǎng)絡(luò)的方式解決工業(yè)生產(chǎn)中設(shè)備眾多、需要進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集的問題。專利號為ZL200820211890. O的實用新型和專利號為ZL200920069055. 2的實用新
型各披露了一種無線數(shù)據(jù)采集終端，終端都包括主控模塊和無線通信模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集和無線傳輸。這些實用新型為電能質(zhì)量集中終端的研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，但沒有達(dá)到分布式部署、多種類型數(shù)據(jù)采集的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的要求。專利號為ZL200710147826. O的發(fā)明專利“節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)”披露了一種節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，包括多個數(shù)據(jù)采集裝置、與數(shù)據(jù)采集裝置連接的綜測儀以及與綜測儀連接的后臺計算機；可以進(jìn)行電力、熱能等多種數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計、計算和遠(yuǎn)程傳輸。專利申請?zhí)枮镃N201110315495. 3的發(fā)明專利“一種能效數(shù)據(jù)集中終端”披露了一種能效數(shù)據(jù)集中終端，通過集群式部署，可以對多種能效參數(shù)進(jìn)行采集。但這類專利同樣沒有考慮產(chǎn)品的產(chǎn)量數(shù)據(jù)的采集，沒有考慮工序能耗和單位產(chǎn)品能耗的統(tǒng)計分析，且都采用GPRS或以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄?，存在通信網(wǎng)絡(luò)需要付費使用的缺點。專利申請?zhí)枮镃N201110219423. 9的發(fā)明專利“能效監(jiān)測系統(tǒng)”披露了一種能夠適用于多企業(yè)接入的大規(guī)模應(yīng)用的能效監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器和客戶端等組成，能夠采用智能手機、移動終端等作為客戶端進(jìn)行監(jiān)控。但該技術(shù)方案只考慮了企業(yè)用電能耗的測量，也沒按設(shè)備、車間、企業(yè)三級模式考慮能源使用效率。

實用新型內(nèi)容鑒于以上所述背景技術(shù)的缺點，本實用新型的主要目的是提供一種工業(yè)生產(chǎn)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)及相應(yīng)的終端裝置?；诘凸淖越M網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),通過監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備、車間、企業(yè)三級的能耗數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)的融合、匯總、分析、統(tǒng)計，得到三級能耗數(shù)據(jù)，即生產(chǎn)設(shè)備級工序能耗、車間級單位產(chǎn)品能耗、企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗，結(jié)合生產(chǎn)時間周期，同時可以獲得三級的生產(chǎn)效率。通過精確監(jiān)測各級能耗和生產(chǎn)效率，結(jié)合節(jié)能激勵機制，能有效促進(jìn)各級人員節(jié)能意識和節(jié)能主觀能動性的提高，有效促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效率的提高，真正達(dá)到節(jié)能增效的目的。為了達(dá)到上述目的，本實用新型提供一種工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)控主機、協(xié)調(diào)器終端、數(shù)據(jù)采集終端、與數(shù)據(jù)采集終端相連接的能耗計量儀表(如電能表、水表、熱能表等)和產(chǎn)量計數(shù)傳感器組成，數(shù)據(jù)采集終端與協(xié)調(diào)器終端基于低功耗自組網(wǎng)的ZigBee協(xié)議組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集終端分兩類，一類是能耗數(shù)據(jù)采集終端，采用以下技術(shù)方案基于先進(jìn)的工業(yè)級無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，由帶有8051內(nèi)核的ZigBee芯片、通信接口電路、天線、電源模塊組成，能耗數(shù)據(jù)采集終端連接能耗計量儀表(如電能表、水表、熱能表等)，完成能耗數(shù)據(jù)的收集工作，同時兼有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點功能，還兼有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器功能，即能耗數(shù)據(jù)采集終端是一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全功能節(jié)點(FFD)0另一類是設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端，設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端同時完成生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、顯示、傳輸?shù)裙δ?，同樣，終端兼有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點和路由器功能，即設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端也是一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全功能節(jié)點(FFD)。所述工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)包括一個協(xié)調(diào)器終端，協(xié)調(diào)器終端是整個網(wǎng)絡(luò)組織的管理·者，管理其網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(路由和子節(jié)點，本實用新型中能耗數(shù)據(jù)采集終端和設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端都可以根據(jù)組網(wǎng)的需要成為路由或子節(jié)點)。所述工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)至少包括一個數(shù)據(jù)采集終端，根據(jù)需要可以通過添加路由器終端來提高系統(tǒng)的組網(wǎng)通信能力。所述工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)控主機安裝有監(jiān)測軟件，完成數(shù)據(jù)抄收、存儲、三級能耗數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計功能，并根據(jù)客戶需要生產(chǎn)報表。本實用新型采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸數(shù)據(jù)，無需布線施工，可大大降低工程造價和運行維護(hù)成本。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述全部數(shù)據(jù)采集終端和協(xié)調(diào)器終端的ZigBee芯片優(yōu)選地采用TI公司的CC2530芯片。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述全部數(shù)據(jù)采集終端是一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全功能節(jié)點(FFD)，既具有數(shù)據(jù)采集功能，又能根據(jù)需要在組網(wǎng)時自動配置成路由器功能，另外還具有數(shù)據(jù)透明傳輸功能，即在現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控主機之間起到無線透明連接的功能，方便用戶實時獲取現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)和信息，也方便傳達(dá)用戶對現(xiàn)場設(shè)備的操作指令。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述全部數(shù)據(jù)采集終端和協(xié)調(diào)器終端的天線優(yōu)選地采用SMA接口、增益為3dBi的2. 4GHz天線，終端工作于2. 4GHz國際工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，無需頻段使用費。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述全部數(shù)據(jù)采集終端的電源模塊包括一個自動切換電路，當(dāng)市電斷開時自動切換到備用的可充高容量鋰電池，在鋰電池電量低于50%容量時市電同時給鋰電池充電。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述能耗數(shù)據(jù)采集終端的通信接口包括一個RS485接口，實現(xiàn)RS485協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，方便與帶RS485接口的水、電、熱、氣、汽等測量儀表實現(xiàn)無縫連接，用于采集和發(fā)送儀表的數(shù)據(jù)。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述終端的MCU主控芯片優(yōu)選的采用C8051F系列低功耗單片機，C8051F系列是一種小封裝、高性能、低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，適合于測控系統(tǒng)、儀器儀表等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。片內(nèi)集成外設(shè)的很多先進(jìn)特性可以節(jié)省應(yīng)用代碼空間和CPU執(zhí)行時間。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端的通信接口包括一個RS485接口，實現(xiàn)RS485協(xié)議與ZigBee協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，方便與帶RS485接口的水、電、熱、氣、汽等能耗計量儀表實現(xiàn)無縫連接，用于采集和發(fā)送儀表的數(shù)據(jù)。所述設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端還包含一個計數(shù)傳感器接口電路，完成生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)量記錄。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)存儲模塊優(yōu)選地采用SPI接口、大容量的AT24C32芯片，對MCU芯片存儲器容量進(jìn)程擴充，完成歷史數(shù)據(jù)的存儲。上述節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)中，所述生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端的按鍵顯示模塊優(yōu)選地設(shè)計一個復(fù)位清零鍵和一個查詢功能鍵，方便操作工人現(xiàn)場記錄當(dāng)期數(shù)據(jù)和查詢歷史數(shù)據(jù)。所述 生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端的第一優(yōu)選方案是，同時完成所監(jiān)測設(shè)備的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)的采集，采用三組LED數(shù)碼管分別顯示產(chǎn)量數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)和工序能耗。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)方案對比，具有更好更全面的技術(shù)效果I、通過三級節(jié)能監(jiān)測，獲得設(shè)備工序能耗、車間級單位產(chǎn)品能耗、企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗，有效促進(jìn)企業(yè)各級員工提高節(jié)能的意識，減少長明燈、減少設(shè)備低負(fù)荷運轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)時間。2、通過三級節(jié)能監(jiān)測，有效促進(jìn)企業(yè)各級員工提高節(jié)能主觀能動性，探索、總結(jié)和采用有效的節(jié)能方式方法。3、通過三級節(jié)能監(jiān)測，為企業(yè)建立節(jié)能約束激勵機制提供技術(shù)支持,配合節(jié)能獎懲制度，能有效促進(jìn)節(jié)能減排、提聞加能源效率。4、通過三級節(jié)能監(jiān)測，方便掌握企業(yè)能耗消費的的重點環(huán)節(jié)所在，為生產(chǎn)線或生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)改造和節(jié)能改造提供準(zhǔn)確的依據(jù)。5、系統(tǒng)還具有生產(chǎn)效率監(jiān)測功能，方便各級員工了解實際生產(chǎn)效率，為企業(yè)管理層安排生產(chǎn)任務(wù)，以及確定與客戶簽訂加工合同的期限提供重要的決策依據(jù)。6、系統(tǒng)基于先進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因而具有低功耗自組網(wǎng)且免費使用的優(yōu)點。

附圖I是本實用新型的整體硬件結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)示意圖。附圖2是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是本實用新型的能耗數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是本實用新型的設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖。附圖5是本實用新型的終端ZigBee芯片與RF前端連接電路圖。附圖6是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端主程序流程圖。附圖7是本實用新型的數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)用層軟件流程圖。附圖8是本實用新型的ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。附圖9是本實用新型的ZigBee模塊接收數(shù)據(jù)流程圖。附圖10是本實用新型的上位機命令協(xié)調(diào)器終端采集數(shù)據(jù)的命令格式。[0039]附圖11是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端返回確定信息給主機的數(shù)據(jù)格式。附圖12是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端發(fā)送數(shù)據(jù)給主機的數(shù)據(jù)格式。附圖13是本實用新型的設(shè)備級工序能耗監(jiān)測及節(jié)能效果圖。附圖14是本實用新型的車間級單位產(chǎn)品能耗監(jiān)測及節(jié)能效果圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。先就本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件組成做詳細(xì)說明。
下面介紹本實用新型中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如附圖I所示，本實用新型提供一種基于低功耗無線自組網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器終端A、能耗數(shù)據(jù)采集終端B、設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C、與協(xié)調(diào)器A連接的監(jiān)控主機、與能耗數(shù)據(jù)采集終端B連接的能耗計量儀表(如電能表、水表、熱能表等)、以及連接在設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C上的能耗計量儀器和產(chǎn)量計數(shù)傳感器等組成。如附圖I所示，本實用新型所述系統(tǒng)的硬件設(shè)備的部署分三層。第一層是設(shè)備層，即設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C通過連接的能耗計量儀表和產(chǎn)量計數(shù)傳感器獲取設(shè)備的能耗和加工產(chǎn)量數(shù)據(jù)。第二層是車間層，即通過能耗數(shù)據(jù)采集終端B采集車間消耗的各類能耗數(shù)量，如果某一車間的水、電、熱、氣、汽等能源計量儀器安裝在比較集中的位置，則通過485總線一并接入一個能耗數(shù)據(jù)采集終端B，如果能耗計量儀器不方便安裝在一個較為集中的地方，且485布線不方便，則可以給不方便485布線的能耗計量儀器單獨連接一個能耗數(shù)據(jù)采集終端B。第三層是企業(yè)層，參照車間層的數(shù)據(jù)終端部署原則，至少安裝一個能耗數(shù)據(jù)采集終端B，計量企業(yè)運行所消耗的所有能耗，同時企業(yè)層還包含一個協(xié)調(diào)器終端A，協(xié)調(diào)器A連接安裝有監(jiān)控軟件的主機，完成整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中匯總
等工作。 下面介紹本實用新型中的系統(tǒng)硬件終端。如附圖2所示，協(xié)調(diào)器終端A由MCU主控芯片、ZigBee芯片、RF前端芯片、RS232電平轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)存儲芯片、電源模塊和天線組成，上述模塊電連接成為一個整體，除天線和必要的接口之外，其余全部電路安裝在一個密封的金屬外殼內(nèi)，有效屏蔽惡劣的工業(yè)環(huán)境下的電磁干擾。為了減輕ZigBee芯片的負(fù)擔(dān)，確保整個網(wǎng)絡(luò)的健壯性和穩(wěn)定性，協(xié)調(diào)器中含有一個MCU主控芯片，MCU主控芯片優(yōu)選地采用C8051F系列低功耗單片機，完成協(xié)調(diào)器的無線通信之外的其余工作，包括負(fù)責(zé)定期執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)、處理和融合各數(shù)據(jù)終端發(fā)來的數(shù)據(jù)、存儲和定期更新EEPROM芯片中的數(shù)據(jù)、完成上位機的其它任務(wù)通信。協(xié)調(diào)器的ZigBee芯片優(yōu)選地采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，完成無線組網(wǎng)通信任務(wù)。協(xié)調(diào)器的RF前端芯片優(yōu)選地采用TI公司生產(chǎn)的CC2591芯片，完成射頻收發(fā)信號的前端處理，曾強射頻收發(fā)信號的功率。協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)存儲芯片優(yōu)選地采用SPI接口、大容量的AT24C32芯片，對MCU芯片存儲器容量進(jìn)程擴充，完成監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的存儲。協(xié)調(diào)器的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片優(yōu)選地采用Sipex公司的SP3232芯片，采用3. 3V供電，與ZigBee芯片供電電壓一致。如附圖3所示，能耗數(shù)據(jù)采集終端B由ZigBee芯片、RF前端芯片、RS485電平轉(zhuǎn)換芯片、電源模塊和天線組成，上述模塊電連接成為一個整體，除天線和必要的接口之外，其余全部電路安裝在一個密封的金屬外殼內(nèi)，有效屏蔽惡劣的工業(yè)環(huán)境下的電磁干擾。能耗數(shù)據(jù)采集終端的ZigBee芯片、RF前端芯片的優(yōu)選方案與協(xié)調(diào)器終端相同。能耗數(shù)據(jù)采集終端的RS485電平轉(zhuǎn)換芯片優(yōu)選地采用Sipex公司的SP3232芯片，采用3. 3V供電，與ZigBee芯片供電電壓一致。能耗數(shù)據(jù)采集終端是一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全功能節(jié)點(FFD)，除了負(fù)責(zé)執(zhí)行能耗數(shù)據(jù)采集命令之外，根據(jù)需要在組網(wǎng)時能自動配置成路由器功能，另外還具有數(shù)據(jù)透明傳·輸功能，即在現(xiàn)場儀表與監(jiān)控主機之間起到無線透明連接的功能，方便用戶實時獲取現(xiàn)場儀表的參數(shù)和信息，也方便傳達(dá)用戶對現(xiàn)場智能儀表的操作指令。如附圖4所示，設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C由MCU主控芯片、ZigBee芯片、RS485電平轉(zhuǎn)換芯片、存儲芯片、電源模塊、按鍵模塊、顯示模塊和天線組成，上述模塊電連接成為一個整體，除天線、按鍵、顯示部分和必要的接口之外，其余全部電路安裝在一個含電磁屏蔽層的密封塑料盒內(nèi)。設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C的MCU主控芯片優(yōu)選方案與前述協(xié)調(diào)器終端A采用的技術(shù)方案相同，即優(yōu)選地采用C8051F系列低功耗單片機。設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C的ZigBee芯片和存儲芯片的優(yōu)選方案與前述協(xié)調(diào)器終端A采用的技術(shù)方案相同，即分別優(yōu)選地采用CC2530和AT24C32芯片。設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C的RS485電平轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)選方案與前述能耗數(shù)據(jù)采集終端B采用的技術(shù)方案相同，即優(yōu)選地采用Sipex公司的SP3232芯片。如附圖5所示，ZigBee芯片與射頻前端芯片連接電路原理圖。作為一個優(yōu)選方案，ZigBee芯片采用TI公司的CC2530，射頻前端芯片采用TI公司CC2591，具體電路連接如圖所示。下面介紹本實用新型中的終端軟件構(gòu)成。附圖6是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端主程序流程圖。本實用新型所涉及的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括一個協(xié)調(diào)器終端，協(xié)調(diào)器終端負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的運行，具有自組網(wǎng)的功能，能夠發(fā)現(xiàn)其它數(shù)據(jù)采集終端申請加入網(wǎng)絡(luò)的請求，并根據(jù)客戶安裝前的設(shè)定，允許合法的數(shù)據(jù)采集終端加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器終端具有上電自復(fù)位功能，上電復(fù)位后，執(zhí)行以下基本操作。第一步是進(jìn)行硬件和軟件初始化工作。第二步是查詢可用的信道，選擇合適的信道建立網(wǎng)絡(luò)并設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的PAN ID號。第三步是等待能耗采集終端或設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端加入網(wǎng)絡(luò)申請，如果申請合法則分配一個短地址給數(shù)據(jù)終端，并讀取數(shù)據(jù)終端的唯一標(biāo)識地址，即芯片里固化的全球唯一的IEEE地址，根據(jù)終端IEEE地址與安裝位置或測量儀器(或生產(chǎn)設(shè)備)的對應(yīng)關(guān)系(用戶可以使用客戶端軟件進(jìn)行設(shè)置和修改)來區(qū)分不同的測量數(shù)據(jù)。第四步是入網(wǎng)申請?zhí)幚硗戤?，沒有新的申請時檢查是否有待處理的事件，如果待處理事件進(jìn)行相應(yīng)的處理，否則跳回第三步。本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器需要處理的用戶層事件有主要有三個，(I)定期通知網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)終端采集相關(guān)數(shù)據(jù)并做處理、融合和存儲，(2)執(zhí)行監(jiān)控主機發(fā)來的傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)給監(jiān)控主機的任務(wù)，(3)執(zhí)行監(jiān)控主機發(fā)來的檢查網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集終端狀態(tài)的任務(wù)。用戶層事件不限于上述三個，可以根據(jù)需要進(jìn)行擴展。附圖7是本實用新型的數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)用層軟件流程圖。本實用新型所涉及的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括至少一個數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端在本實用新型中有設(shè)計成兩類，一類是僅能通過RS485總線采集能耗數(shù)據(jù)的終端，即圖I中所述的能耗數(shù)據(jù)采集終端B，另一類是能采集能耗和產(chǎn)量的負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的終端，即圖I中所述的設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端C。數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)用層程序基本相同，核心的執(zhí)行步驟如下。第一步是上電后進(jìn)行硬件和軟件初始化。第二步是查詢最優(yōu)的父節(jié)點，并向父節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)請求。所述父節(jié)點包括路由器終端或協(xié)調(diào)器終端，本實用新型中的所有數(shù)據(jù)采集終端都兼有路由器功能，都是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全功能節(jié)點(FFD)，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的多跳通信。第三步是等待父節(jié)點的同意入網(wǎng)絡(luò)申請。第四步是成功申請入網(wǎng)后，檢查是否有待處理的事件，如果待處理事件進(jìn)行相應(yīng)的處理，否則進(jìn)入休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)可被定時器或外部中斷激活，激活后輪詢事件且做相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)中能耗數(shù)據(jù)采集終端需要處理的用戶層事件有主要有兩個，(I)讀能耗計量表事件，即接收網(wǎng)絡(luò)的讀表指令，完成讀表操作并返回能耗數(shù)據(jù)，(2)數(shù)據(jù)透明傳輸事件，即只將網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點或所有子節(jié)點。用戶層事件不限于兩個，可以根據(jù)需要進(jìn)行擴展。本系統(tǒng)中設(shè)備據(jù)采集終端的ZigBee通信模塊需要處理的用戶層事件與能耗數(shù)據(jù)終端相同，但該數(shù)據(jù)終端還具有產(chǎn)量數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲功能，這些功能由專用的MCU模塊控制實現(xiàn)。附圖8是本實用新型的ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖。ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的基本步驟如下。第一步，初始化硬件和軟件。第二步，配置DMA寄存器和RFD寄存器。第三步，判斷待發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，如果待發(fā)送數(shù)據(jù)長度小于122字節(jié)，則全部寫入TxFIFO先進(jìn)先出緩沖區(qū)，如果超過122字節(jié)則提取第一片共122字節(jié)寫入TxFIFO先進(jìn)先出緩沖區(qū)。第四步，檢查RSSI指示值是否正常，如果正常表示信號符合發(fā)送要求，否則等待2ms重新檢查RSSI指示值，如此循環(huán)直到RSSI指示值正常。第五步，啟動Tx發(fā)送數(shù)據(jù)。第六步，檢查本次發(fā)送數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢，發(fā)送完畢則進(jìn)入下一步，否則返回第三步發(fā)送剩下的數(shù)據(jù)，如此循環(huán)直到發(fā)送完畢再進(jìn)入下一步。第七步，等待確認(rèn)信號的到來。5ms內(nèi)收到確認(rèn)信號則成功返回，超過5ms沒收到確認(rèn)信號則重新發(fā)送全部數(shù)據(jù)，重發(fā)超過5次則返回不可到達(dá)信號。附圖9是本實用新型的ZigBee模塊接收數(shù)據(jù)流程圖。ZigBee模塊接收數(shù)據(jù)的基本步驟如下。[0091]第一步，初始化硬件和軟件。第二步，配置DMA寄存器、尋找空閑的DMA通道、啟動Rx接收數(shù)據(jù)，等等數(shù)據(jù)的到來直到接收到數(shù)據(jù)再進(jìn)入下一步。第三步，解析接收到的數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)的目的地址。第四步，對比數(shù)據(jù)目的地址與本設(shè)備的地址，如果數(shù)據(jù)目的地址不是本設(shè)備則直接返回，如果數(shù)據(jù)目的地址是本設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信息后成功返回。下面介紹本實用新型中的監(jiān)控主機與協(xié)調(diào)器之間的通信協(xié)議。附圖10是本實用新型的上位機命令協(xié)調(diào)器終端采集數(shù)據(jù)的命令格式。上位機監(jiān)控軟件通過UART接口與協(xié)調(diào)器連接，相互串行通信，上位機軟件通過如附圖10所示的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)出命令。按照附圖10所示的規(guī)定進(jìn)行命令生成。校驗碼由程 序計算生成，這里采用XOR校驗。規(guī)定終端編號為0x00 0x00表示針對整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端進(jìn)行操作，其它編號則表示只對該數(shù)據(jù)終端進(jìn)行操作。用戶命令參數(shù)可以根據(jù)需要設(shè)定成多種模式，例如規(guī)定用戶命令參數(shù)I和2為0x01 0x00 0x00 0x00表示命令數(shù)據(jù)終端采集所連接的測量儀器的顯示值并發(fā)送回監(jiān)控主機，則編制如下命令數(shù)據(jù)幀(這里假設(shè)數(shù)據(jù)終端的編號為0x1234)OxFE 0x07 0x29 0x01 0x12 0x34 0x08 0x08 0x01 0x00 0x00 0x00 加 I 字節(jié)
的校驗碼。如果要對整個網(wǎng)絡(luò)的中的終端進(jìn)行讀數(shù)命令，則編制如下格式命令OxFE 0x07 0x29 0x01 0x00 0x00 0x08 0x08 0x01 0x00 0x00 0x00 加 I 字節(jié)
的校驗碼附圖11是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端返回確定信息給主機的數(shù)據(jù)格式。協(xié)調(diào)器終端執(zhí)行監(jiān)控主機的命令后，按照附圖11所示的格式返回確認(rèn)信息，例如上面例子中監(jiān)控主機發(fā)出對整個網(wǎng)絡(luò)的中的終端進(jìn)行讀數(shù)的命令，協(xié)調(diào)器執(zhí)行成功后返回OxFE 0x01 0x69 0x01 0x00 0x00 0x01 加 I 字節(jié)的校驗碼，如果協(xié)調(diào)器執(zhí)行不成功則返回OxFE 0x01 0x69 0x01 0x00 0x00 0x00 加 I 字節(jié)的校驗碼。附圖12是本實用新型的協(xié)調(diào)器終端發(fā)送數(shù)據(jù)給主機的數(shù)據(jù)格式。本實用新型的協(xié)調(diào)器終端發(fā)送數(shù)據(jù)給主機的按照附圖12所示的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行。例如OxFE 0x08 0x46 0x87 0x12 0x34 0x02 0x00 0x02 0x08 0x09 加 I 字節(jié)的校驗
碼表示協(xié)調(diào)器將編號0x12 0x34的數(shù)據(jù)終端發(fā)來的共兩個字節(jié)(0x08 0x09)的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控主機。下面介紹本實用新型中的節(jié)能監(jiān)測能耗效率計算方法。附圖13是本實用新型的設(shè)備級工序能耗監(jiān)測及節(jié)能效果圖。本實用新型中的設(shè)備級工序能耗共兩種定義。一是設(shè)備的當(dāng)日工序能耗，表示一天內(nèi)設(shè)備單個工序的耗能數(shù)量，計數(shù)式為 円丁序臺b豐節(jié)—當(dāng)日設(shè)備能耗總值 彐口丄汴郵當(dāng)日設(shè)備加工產(chǎn)量二是設(shè)備的規(guī)定時期內(nèi)的平均工序能耗，計數(shù)式為
3244ι τ·麼辨杯_設(shè)備累計能耗總值卞d—設(shè)備累計加工產(chǎn)量式中，當(dāng)日設(shè)備能耗總值表示當(dāng)天的能耗總值，由電、水、熱、氣、汽等能耗進(jìn)行折算并相加得到；當(dāng)日設(shè)備加工產(chǎn)量表示該設(shè)備執(zhí)行某項工序加工的總量；設(shè)備累計能耗總值，表示某一時間周期內(nèi)的能耗總值，由電、水、熱、氣、汽等能耗進(jìn)行折算并相加得 到；設(shè)備累計加工產(chǎn)量表示某一時間周期內(nèi)該設(shè)備執(zhí)行某項工序加工的總量。例如，采用本實用新型監(jiān)測某活塞環(huán)生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能情況，針對一臺大型磨床，提取該磨床2012年3月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得如附圖13所示的分析結(jié)果。由附圖13可見，本實用新型能有效監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備的當(dāng)日工序能耗和平均工序能耗，且分析圖13可知，該生產(chǎn)設(shè)備的當(dāng)日工序能耗雖有起伏變動，但總體是下降的趨勢；平均工序能耗清晰顯示出下降趨勢，表明本實用新型能起到節(jié)能效果。附圖14是本實用新型的車間級單位產(chǎn)品能耗監(jiān)測及節(jié)能效果圖。本實用新型中的車間級單位產(chǎn)品能耗計算式
車間單位產(chǎn)晶陵式中，車間能耗總值表示一個記錄周期內(nèi)的能耗總值，由電能、水、熱、氣、汽等能耗進(jìn)行折算并相加得到；車間加工產(chǎn)量表示一個記錄周期內(nèi)該車間加工的成品或半成品總量。例如，采用本實用新型監(jiān)測某活塞環(huán)生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能情況，針對一個高耗能生產(chǎn)車間(共有12臺高耗能的生產(chǎn)設(shè)備，全采用電驅(qū)動，這里只需計算電能)，提取車間2012年3月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得如附圖14所示的分析結(jié)果。由附圖14可見，本實用新型能有效監(jiān)測生產(chǎn)車間的能耗和車間級單位產(chǎn)品能耗，且分析圖14可知，該生產(chǎn)車間的單位產(chǎn)品能耗成下降趨勢，表明本實用新型能起到節(jié)能效果。同理，可得企業(yè)級的單位產(chǎn)品能耗，甚至單位產(chǎn)品增加值的能耗。本實用新型中的企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗計算式為
企業(yè)牟位產(chǎn)品能耗
----H.......n'—1^11*1 ·ι!~ τΗρ -式中，企業(yè)能耗總值表示的某一周期內(nèi)的該企業(yè)能耗總值，由電、水、熱、氣、汽等能耗進(jìn)行折算并相加得到；企業(yè)產(chǎn)量表示某一時間周期內(nèi)該企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品總量。本實用新型公開的節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)設(shè)備、車間、企業(yè)三級監(jiān)測，有效獲取各級能耗和產(chǎn)量，進(jìn)行簡單分析和對比，獲得三級能耗數(shù)據(jù)，即生產(chǎn)設(shè)備級工序能耗、車間級單位產(chǎn)品能耗、企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗，結(jié)合生產(chǎn)時間周期，同時可以獲得三級的生產(chǎn)效率。通過精確監(jiān)測各級能耗和生產(chǎn)效率，結(jié)合節(jié)能激勵機制，能有效促進(jìn)各級人員節(jié)能意識和節(jié)能主觀能動性的提高，有效促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效率的提高，真正達(dá)到節(jié)能增 效的目的。
權(quán)利要求1.一種基于低功耗無線自組網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，由監(jiān)控主機、協(xié)調(diào)器終端、數(shù)據(jù)采集終端、與數(shù)據(jù)采集終端相連接的能耗計量儀表和產(chǎn)量計數(shù)傳感器組成，其特征在于數(shù)據(jù)采集終端與協(xié)調(diào)器終端組成基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有低功耗無線自組網(wǎng)的特點；通過監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備、車間、企業(yè)三級的能耗和產(chǎn)量，得到三級能耗數(shù)據(jù)，即生產(chǎn)設(shè)備級工序能耗、車間級單位產(chǎn)品能耗、企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗。
2.如權(quán)利要求I所述系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器終端，其特征是由MCU主控芯片、ZigBee芯片、RF前端芯片、RS232電平轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)據(jù)存儲芯片、電源模塊和天線組成，上述部件電連接成為一個整體，除天線和必要的接口之外，其余部分安裝在一個密封的金屬外殼內(nèi)，完成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的組建和管理、執(zhí)行監(jiān)控主機的命令。
3.如權(quán)利要求I所述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端，其特征在于數(shù)據(jù)采集終端分兩類，一類是能耗數(shù)據(jù)采集終端，連接能耗計量儀表，完成能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測；另一類是設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端，同時完成生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測。
4.如權(quán)利要求3所述的能耗數(shù)據(jù)采集終端，其特征在于由ZigBee芯片、RF前端、通信接口電路、天線、電源模塊組成，除天線和必要的接口之外，其余部分密封在一個金屬外盒中，具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全功能節(jié)點功能(FFD )。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端，其特征在于除了能耗數(shù)據(jù)采集終端的特征之外，設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端還含有一個MCU微控制器和一個存儲芯片，它們主要功能是完成生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、顯示、查詢功能。
6.如權(quán)利要求I所述的節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，其又一特征是生產(chǎn)設(shè)備的當(dāng)日工序能耗和周期內(nèi)平均工序能耗計算式分別為 與口 T運涉當(dāng)日設(shè)備會總值 當(dāng) 啡郎耗-頭麗罪畺, Σ+Λ 丁良缺耗― 累 干均工序秦麗麗殘 式中，當(dāng)日設(shè)備能耗總值表示該設(shè)備當(dāng)日所消耗能源的總值，由監(jiān)測該設(shè)備所連接的全部能耗計量儀表所記錄的當(dāng)日能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行折算并相加得到，當(dāng)日設(shè)備加工產(chǎn)量表示該設(shè)備執(zhí)行某項工序當(dāng)日加工的總量；設(shè)備累計能耗總值，表示該設(shè)備在某一周期所消耗能源的總值，由監(jiān)測該設(shè)備所連接的全部能耗計量儀表所記錄的相應(yīng)周期內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行折算并相加得到，設(shè)備累計加工產(chǎn)量表示相應(yīng)周期內(nèi)該設(shè)備執(zhí)行某項工序加工的總量。
7.如權(quán)利要求I所述的節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，其又一特征是某監(jiān)測周期內(nèi)車間級單位產(chǎn)品能耗計算式為車間單位產(chǎn)品能 謂隱謹(jǐn) 式中，車間能耗總值表示該車間在某一周期所消耗能源的總值，由監(jiān)測該車間所連接的全部能耗計量儀表所記錄的相應(yīng)周期內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行折算并相加得到，車間加工產(chǎn)量表示相應(yīng)周期內(nèi)該車間加工的成品或半成品總量。
8.如權(quán)利要求I所述的節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，其又一特征是某監(jiān)測周期內(nèi)企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗計算式為企業(yè)單位產(chǎn)品能耗=企值 式中，企業(yè)能耗總值表示該企業(yè)在某一周期所消耗能源的總值，由監(jiān)測該企業(yè)所連接的全部能耗計量儀表所記錄的相應(yīng)周期內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行折算并相加得到，企業(yè)加工產(chǎn)量表示相應(yīng)周期內(nèi)該企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品總量?！?br> 專利摘要一種基于低功耗無線自組網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)，由協(xié)調(diào)器終端、數(shù)據(jù)采集終端、能耗計量儀表和產(chǎn)量計數(shù)傳感器組成。數(shù)據(jù)采集終端分為能耗數(shù)據(jù)采集終端和設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端，前者通過RS485總線連接能耗計量儀表，用以監(jiān)測車間和企業(yè)的能耗量，后者連接能耗計量儀表和產(chǎn)量計量傳感器，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)量和能耗的監(jiān)測。協(xié)調(diào)器終端與監(jiān)控主機相連，與至少一個數(shù)據(jù)采集終端組成基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備、車間、企業(yè)三級的能耗和產(chǎn)量，進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到三級能耗數(shù)據(jù)，即生產(chǎn)設(shè)備級工序能耗、車間級單位產(chǎn)品能耗、企業(yè)級單位產(chǎn)品能耗。結(jié)合節(jié)能獎懲制度，本實用新型能有效促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)能源效率的提高，達(dá)到節(jié)能增效的目的。
文檔編號G05B19/418GK202694098SQ20122021025
公開日2013年1月23日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者童耀南, 楊宣兵, 陳松, 羅朝明 申請人:長沙邦勝電子科技有限公司