基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，包括依次相連接的監(jiān)控模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊和路由節(jié)點模塊，路由節(jié)點模塊分別與多個終端節(jié)點模塊相連接。該控制系統(tǒng)基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立，能夠?qū)崟r顯示當前開關(guān)節(jié)點溫度狀況并對開關(guān)故障進行準確定位，并進行聲光報警，對故障進行顯示，進而達到對銅電解直流短路開關(guān)的遠程無線遙控，為操作人員迅速排除故障提供了方便，大大提高了管理人員的工作效率，優(yōu)化生產(chǎn)管理，提高整個銅電解行業(yè)安全生產(chǎn)的信息化和自動化程度，成功地解決了目前市場上此類系統(tǒng)價格昂貴的問題，在國內(nèi)銅電解工藝中具有十分可觀的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于工業(yè)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種銅電解工藝中使用的監(jiān)控系統(tǒng)，特別涉及一種基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]銅電解工藝中的銅電解直流短路開關(guān)本身并沒有定性、定量監(jiān)控氣動保護回路的裝置，其中的真空降低故障為隱形故障，而且在銅電解廠房的高溫高腐蝕環(huán)境中檢修短路開關(guān)時，對設(shè)備維護人員的人身安全也構(gòu)成極大地威脅。我國電解銅行業(yè)發(fā)展速度極快，應(yīng)用極為廣泛。但對直流真空短路開關(guān)的實時監(jiān)控系統(tǒng)還不夠完善，甚至還沒有大量使用監(jiān)控設(shè)備。導(dǎo)致銅電解系統(tǒng)中的氣動保護回路故障頻頻，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)和管理的自動化水平也不夠高。近年來工業(yè)自動化對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈。也出現(xiàn)了一些監(jiān)控設(shè)備，如用工業(yè)控制機完成監(jiān)控系統(tǒng)。但其成本昂貴，智能化程度不高，不利于大批量使用。還有一些無線通信監(jiān)控設(shè)備的使用，但實際應(yīng)用中其抗干擾能力差、信號不穩(wěn)定、使用成本(網(wǎng)絡(luò)費用)高，電源供電復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是提供一種成本較低的基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠遠程無線遙控銅電解直流短路開關(guān)的分合，實時顯示當前開關(guān)節(jié)點溫度狀況并對開關(guān)故障進行準確定位。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，包括依次相連接的監(jiān)控模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊和路由節(jié)點模塊，路由節(jié)點模塊分別與多個終端節(jié)點模塊相連接。
[0005]本實用新型控制系統(tǒng)基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立，由終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點三級構(gòu)成，能夠?qū)崟r顯示當前開關(guān)節(jié)點溫度狀況并對開關(guān)故障進行準確定位，并進行聲光報警，對故障進行顯示，進而達到對銅電解直流短路開關(guān)的遠程無線遙控，并對開關(guān)的分合時間和次數(shù)進行歸檔記錄，然后顯示打印結(jié)果。為操作人員迅速排除故障提供了方便，大大提高了管理人員的工作效率，優(yōu)化生產(chǎn)管理，提高整個銅電解行業(yè)安全生產(chǎn)的信息化和自動化程度，成功地解決了目前市場上此類系統(tǒng)價格昂貴的問題，在國內(nèi)銅電解工藝中具有十分可觀的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本實用新型控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0007]圖2是本實用新型控制系統(tǒng)中終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖3是本實用新型控制系統(tǒng)中路由節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖4是本實用新型控制系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖5是本實用新型控制系統(tǒng)中上位機監(jiān)控模塊的控制流程圖。[0011]圖中:1.終端節(jié)點模塊，2.路由節(jié)點模塊，3.協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊，4.監(jiān)控模塊，5.傳感器模塊，6.終端節(jié)點CC2530核心模塊，7.報警模塊，8.終端節(jié)點IXD顯示模塊，9.終端節(jié)點RF無線收發(fā)模塊，10.終端節(jié)點電源模塊，11.路由節(jié)點電源模塊，12.路由節(jié)點CC2530核心模塊，13.路由節(jié)點RF無線收發(fā)模塊，14.協(xié)調(diào)器電源模塊，15.協(xié)調(diào)器節(jié)點CC2530核心模塊，16.協(xié)調(diào)器IXD顯示模塊，17.串口收發(fā)模塊，18.協(xié)調(diào)器節(jié)點RF無線收發(fā)模塊。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0013]本實用新型控制系統(tǒng)是基于zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所實現(xiàn)的，該系統(tǒng)的組網(wǎng)形式為星型網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點三級構(gòu)成。各級節(jié)點和由zigbee聯(lián)盟制定的協(xié)議棧共同構(gòu)成zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。Zigbee是IEEE 802.15.4這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)，是一種便宜的，低功耗的近距離極強抗干擾能力的無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。Zigbee工作在2.4GHz，它的目的主要是解決設(shè)備互連。它主要是針對傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)方案，對帶寬和功耗的需求都很低。Zigbee的低數(shù)據(jù)率保證功耗更低。因此可以利用電池供電，Zigbee設(shè)備可以在大部分時間“休眠”，只在工作或者周期性更新時激活，使得電池壽命可以達到數(shù)年。Zigbee網(wǎng)絡(luò)還具有自形成和自愈能力。
[0014]Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的:
[0015]終端節(jié)點沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設(shè)備，僅需普通的5號電池就可以工作6?24個月，終端設(shè)備的存儲空間比較小。主要由控制各個開關(guān)的監(jiān)控節(jié)點的工業(yè)控制箱組成，該工業(yè)控制箱內(nèi)主要包括CC2530模塊、LCD顯示模塊、報警模塊、無線收發(fā)模塊、繼電器等設(shè)備。各模塊將進行開關(guān)量和溫度量的采集及其傳輸，并將終端節(jié)點(endpoint)采集到的多路信號經(jīng)過處理后發(fā)給zigbee網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(router),再由路由節(jié)點通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(coordinator),然后由協(xié)調(diào)器節(jié)點將信息通過RS232傳遞給監(jiān)控端的計算機設(shè)備。該工業(yè)控制箱上有開關(guān)閉合按鈕、斷開按鈕、故障指示燈、LCD顯示屏、轉(zhuǎn)換開關(guān)以及故障清零按鈕
坐寸ο
[0016]路由節(jié)點的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的終端設(shè)備的通訊。主要包括微控制器模塊、無線通信模塊、和電源管理模塊。
[0017]協(xié)調(diào)器節(jié)點負責啟動整個網(wǎng)絡(luò)。它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定(bindings)。協(xié)調(diào)器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置。一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就像一個路由器。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)本身的分布特性，因此接下來整個網(wǎng)絡(luò)的操作就不再依賴協(xié)調(diào)器是否存在。主要由無線通信模塊、微控制器功能模塊、串口通信模塊、電源功能模塊構(gòu)成。
[0018]監(jiān)控模塊通過RS232與協(xié)調(diào)器模塊通信，并接收由終端節(jié)點傳來的溫度、開關(guān)量的狀態(tài)信息，并顯示該狀態(tài)信息，對超出安全溫度范圍的異常狀態(tài)進行報警，同時PC端用戶管理系統(tǒng)發(fā)出控制信息，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點中地址把控制信息轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的路由節(jié)點，再由路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點實現(xiàn)對短路開關(guān)運行的監(jiān)測和控制，同時生成溫度記錄和報警記錄的報表。[0019]如圖1所示，本實用新型控制系統(tǒng)，包括依次相連接的監(jiān)控模塊4、協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊3和路由節(jié)點模塊2，路由節(jié)點模塊2分別與多個終端節(jié)點模塊I相連接。
[0020]如圖2所示，本實用新型控制系統(tǒng)中的終端節(jié)點模塊1，包括依次相連接的傳感器模塊5、終端節(jié)點CC2530核心模塊6、終端節(jié)點RF無線收發(fā)模塊9和終端節(jié)點電源模塊10，終端節(jié)點CC2530核心模塊6還分別與報警模塊7和終端節(jié)點IXD顯示模塊8相連接。
[0021]傳感器模塊5采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器及接口電路五部分組成。其主要特點是溫度測量精確，對溫度的分辨率為0.50C ;測量范圍廣，測量范圍可從一 55°C到+125°C ；DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣。完全能滿足銅電解工廠的高溫以及高腐蝕的環(huán)境要求。
[0022]報警模塊7主要由蜂鳴器及LED報警燈組成，紅色燈表示短路開關(guān)發(fā)生故障，黃燈表示系統(tǒng)運行異常，綠燈表示短路開關(guān)運行正常；當短路開關(guān)發(fā)生故障及系統(tǒng)運行異常時，蜂鳴器都會相應(yīng)發(fā)出報警音，提示維護人員檢查設(shè)備及系統(tǒng)。LCD顯示模塊采用的是帶中文字庫的128X64點陣的液晶模塊，該液晶模塊是一種具有4位或8位并行、2線或3線串行多種接口方式，其顯示分辨率為128X64，內(nèi)置8192 (16X 16點陣)個漢字和128個16X8點ASCII字符集?？梢燥@示8X4行16X16點陣的漢字，也可完成圖形顯示；低電壓低功耗是其又一顯著特點。12864液晶模塊將經(jīng)由處理器處理過的實時溫度信息在其屏幕上顯示出來，維護人員能比較直觀的觀測到短路開關(guān)的實時溫度變化并做出相應(yīng)的措施。
[0023]如圖3所示，本實用新型控制系統(tǒng)中的路由節(jié)點模塊2，包括依次相連接的路由節(jié)點電源模塊11、路由節(jié)點CC2530核心模塊12和路由節(jié)點RF無線收發(fā)模塊13。
[0024]如圖4所示，本實用新型控制系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊3，包括依次相連接的協(xié)調(diào)器節(jié)點電源模塊14、協(xié)調(diào)器節(jié)點CC2530核心模塊15和協(xié)調(diào)器RF無線收發(fā)模塊18，協(xié)調(diào)器節(jié)點CC2530核心模塊還分別與協(xié)調(diào)器IXD顯示模塊16和串口收發(fā)模塊17相連接。
[0025]串口模塊17是Polific公司的PL2303接口芯片，該接口芯片可提供一個RS232全雙異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。具有兼容性強、信息吞吐率高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強等特點。協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊3的工作原理是通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將由各個路由節(jié)點發(fā)送到的實時信息通過協(xié)調(diào)器CC2530核心模塊15處理后，存儲到芯片存儲單元，并且通過RS232將實時信息傳遞給監(jiān)控模塊4。同樣，監(jiān)控模塊4的控制信息也通過RS232傳遞給協(xié)調(diào)器CC2530核心模塊15，且通過協(xié)調(diào)器RF無線收發(fā)模塊18傳遞給路由節(jié)點模塊2，再由路由節(jié)點模塊2通過路由節(jié)點RF無線收發(fā)模塊13傳遞給中斷節(jié)點，從而控制相對應(yīng)的短路開關(guān)。
[0026]本實用新型控制系統(tǒng)中所有的核心模塊和所有的無線收發(fā)模塊都是基于CC2530無線射頻芯片實現(xiàn)的。CC2530無線射頻芯片是完全符合ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，適合于各種無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。其主要特點是體積小高性能低功耗，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，可編程的輸出功率高達4.5dbm，只需極少的外接元件。CC2530無線射頻芯片內(nèi)嵌入了高性能和低功耗的8051微控制器核，集成了 14位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，具有電池監(jiān)測和溫度傳感功能，具有串口等豐富的接口資源。還集成了符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz頻段的RF無線電收發(fā)模塊。
[0027]IEEE 802.15.4是一個低速率無線個人局域網(wǎng)標準。該標準定義了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)。這種低速率無線個人局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、具有有限的功率和靈活的吞吐量。低速率無線個人局域網(wǎng)的主要目標是實現(xiàn)安裝容易、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離通信、極低的成本、合理的電池壽命，并且擁有一個簡單而且靈活的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
[0028]監(jiān)控模塊4的上位機軟件用Object Pascal語言編寫。Delphi是著名的Borland(現(xiàn)在已和Inprise合并)公司開發(fā)的可視化軟件開發(fā)工具。Delphi被稱為第四代編程語目，它具有簡單、聞效、功能強大的特點。同時delphi基于窗體和面向?qū)ο蟮姆椒?，聞速的編譯器，強大的數(shù)據(jù)庫支持，與Windows編程緊密結(jié)合，強大而成熟的組件技術(shù)。程序主要分為自動部分和手動部分，其中手動部分就是通過終端節(jié)點控制箱的控制按鈕進行切換，分別對每個節(jié)點進行單獨的手動控制。程序進入自動部分，上位機首先必須與節(jié)點控制箱建立通訊，然后確定數(shù)據(jù)輸入，接著判斷是否有輸入信號以及輸入信號是否有效，若無效則返回進入故障處理界面進行處理；若信號有效則進入相應(yīng)界面進行信號處理，上述完成后，程序結(jié)束。其控制流程圖如圖5所示。監(jiān)控模塊4主要包括初始登陸界面、終端節(jié)點各個銅電解短路開關(guān)的狀態(tài)顯示界面、遠程控制界面、報警記錄及歷史數(shù)據(jù)查詢界面、用戶設(shè)置及管理界面等。短路開關(guān)控制界面主要控制短路開關(guān)的分合，顯示其分合狀態(tài)并累計每臺短路開關(guān)機旁手動操作和遠程自動控制時的開關(guān)分斷次數(shù)。銅電解短路開關(guān)狀態(tài)顯示界面主要顯示短路開關(guān)節(jié)點實時溫度變化曲線，短路開關(guān)的各種故障狀態(tài)顯示，其中，紅色表示發(fā)生故障、黃色表示系統(tǒng)運行異常、綠色表示運行正常。短路開關(guān)數(shù)據(jù)記錄界面主要用于記錄采集到的歷史溫度數(shù)據(jù)以及報警次數(shù)，同時顯示網(wǎng)絡(luò)信息，并可對相關(guān)數(shù)據(jù)進行保存。系統(tǒng)設(shè)置界面主要用于對各個端口、速率、繪圖速度、數(shù)據(jù)記錄間隔等進行設(shè)定。
[0029]本實用新型控制系統(tǒng)是針對銅電解工藝中直流短路開關(guān)開發(fā)設(shè)計的基于zigbee技術(shù)的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)。終端節(jié)點模塊I將溫度傳感器采集到的短路開關(guān)的實時信息通過終端節(jié)點CC2530核心模塊6，并通過A/D轉(zhuǎn)換將采集到的數(shù)據(jù)存儲到模塊中的內(nèi)存中，實時信息數(shù)據(jù)通過終端節(jié)點RF無線收發(fā)模塊9傳遞給路由節(jié)點模塊2，路由節(jié)點模塊2再通過路由節(jié)點RF無線收發(fā)模塊13將實時信息數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊3。協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊3將由各個終端節(jié)點模塊I采集到的實時信息通過協(xié)調(diào)器CC2530核心模塊15處理，將其存儲到芯片存儲單元，并且通過RS232將實時信息傳遞給監(jiān)控模塊4。同樣，監(jiān)控模塊4的控制信息也通過RS232傳遞給協(xié)調(diào)器CC2530核心模塊15，且通過無線收發(fā)模塊傳遞給下一級的路由節(jié)點模塊2，然后傳遞給終端節(jié)點模塊1，從而控制相對應(yīng)的短路開關(guān)。該短路開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)遵循安全可靠性、精確性、實時性及易于維護性的設(shè)計制造原則，在實際應(yīng)用中具有較大的實用價值和推廣價值。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，包括依次相連接的監(jiān)控模塊(4 )、協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊(3 )和路由節(jié)點模塊(2 )，路由節(jié)點模塊(2 )分別與多個終端節(jié)點模塊(I)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的終端節(jié)點模塊(I)包括依次相連接的傳感器模塊(5)、終端節(jié)點CC2530核心模塊(6)、終端節(jié)點RF無線收發(fā)模塊(9)和終端節(jié)點電源模塊(10)，終端節(jié)點CC2530核心模塊(6)還分別與報警模塊(7)和終端節(jié)點LED顯示模塊(8)相連接；傳感器模塊(5)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的路由節(jié)點模塊(2 )包括依次相連接的路由節(jié)點電源模塊(11)、路由節(jié)點CC2530核心模塊(12 )和路由節(jié)點RF無線收發(fā)模塊(13 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊(3)包括依次相連接的協(xié)調(diào)器節(jié)點電源模塊(14)、協(xié)調(diào)器節(jié)點CC2530核心模塊(15)和協(xié)調(diào)器RF無線收發(fā)模塊(18)，協(xié)調(diào)器節(jié)點CC2530核心模塊還分別與協(xié)調(diào)器IXD顯示模塊(16)和串口收發(fā)模塊(17)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于zigbee的銅電解用短路開關(guān)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的串口收發(fā)模塊(17)采用PL2303接口芯片。
【文檔編號】H04W84/18GK203759861SQ201420161561
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】擺玉龍, 陳毅, 莊志強, 冒星星, 杜以清, 劉創(chuàng)舉, 尤元紅, 徐寶兄 申請人:西北師范大學(xué)