zigbee的工业物联网研究与开发(附件)
工业环境的过程化控制在现在企业的生产发展中占主导地位。本课题针对工业生产中存在的数据传输不及时，模块节点功耗高和控制不方便等一系列问题，设计了一种基于ZigBee无线传感网络的低功耗工业环境监测与控制系统。其系统硬件包括空气温度采集模块，液体温度采集模块，湿度采集模块和气体浓度采集模块；软件包括数据库和控制台程序，方便工人实时掌握生产环境，实现工厂信息传递的无线化及环境实时监测，能及时发现工厂生产过程中出现的故障并及时报警，提高工业化生产的信息化程度。数据传输部分采用工业上所广泛使用的MODBUS协议作为本设计通信协议，适配大多数工业仪表的数据传输。经测试，本设计拥有功耗低，工业适配度高和采集数据密集等优点，缺点在于数据传输有时不稳定，易丢包，且需要外接电源，可能对工业仪表有所影响。关键词 ZigBee技术，无线传感网，MODBUS
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 研究目的和意义 1
1.3 发展现状 2
1.4 论文结构 3
2 需求分析与可行性研究 3
2.1 需求分析 3
2.2 可行性研究 6
2.3 本章小结 6
3 相关技术介绍 7
3.1 ZigBee技术概述 7
3.2 MODBUS协议 9
4 系统总体设计 11
4.1 总体设计 11
4.2 硬件设计 11
4.3 软件设计 14
5 系统调试 20
5.1 测试步骤 20
5.2 整体测试 21
5.3 节点实物图 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 本课题研究背景
随着以计算机科学技术发展为核心的工业物联网技术的蓬勃发展，各种网络之间的差异性日益变大，导致数据在不同的网络之间不能很好的交换。而且在工业领域中，许多设备因为年代久远，并没有连入互联网，数据采集由人工完成，效率低下，错误百出，所以工业仪表的互联网化势在必行。目 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
前在工业物联网中拥有许多数据传输协议，如CAN总线、RS485、Profibus、FF等，因为不同的传输协议对于数据帧格式的要求各不相同，如何在这些不同的网络之间进行数据交换成为了当今工业物联网的核心问题，网关能很好的解决此类问题。但如果采用专业服务器作为网关，虽然能完成数据采集和传输的任务，但是因为是完全服务器，所以存在成本高，功耗大等一些列问题，所以本设计采用嵌入式网关解决数据在不同传输网络当中传输的问题。
本设计采用ZigBee无线传输模块，上电以后模块即可进行自组网，进行数据的无线传输，与终端节点相连的数据采集模块首先进行数据采集，通过ZigBee网络单播发送给协调器，协调器接收数据，通过串口，有线传输给上位机进行数据采集分析，工人通过上位机可控制模拟的厂房内的环境。系统的核心是工业上普遍采用的MODBUS数据传输协议，使通信过程更加规范，返回数据遵循标准的数据帧格式，数据帧末尾添加校验位置，保证数据的可靠性。
1.2 研究目的和意义
传统的工业生产环境的监测方式是通过有线的传感器进行数据采集检测，但这种监测方式会产生许多问题，最主要的就是传感器设备必须通过有线电缆与数据中心进行连接，因为使用有线连接，故需要铺设大量的电缆，时间长且成本高，而且在某些特定的工业生产环境，如高温、高压、井下或其他不具备大规模铺设电缆条件的环境下，老式的有线连接并不能很好地进行出数据传输。但是如果采用无线传感器网络来传输终端采集到的各种数据，就能够轻松解决不满足数据有线传输条件的问题。
无线传感器件网络具有无需连线，安装成本低，后期维护方便（只需更换电池），待机时间长（拥有休眠模式）且各传感器之间相互没有直接的电气连接，所以不会存在相互干扰的问题等一系列优点。无线传感网络可以实时监测、感知和采集网络节点分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些采集到的数据进行分析，从而获取现实生产环境中的信息。
1.3 发展现状
现代工业生产中使用的无线网络是从原本的无线传感网络发展而来。国外工业无线网络研究在始于上个世纪90年代。直到21世纪左右，国际上才出现传感器网络研究的成果。至此，世界许多发达国家的军事部门、工业部门和学术界才开始对无线传感网络抱有浓厚的兴趣。
之后，随着计算机技术的不断发展，工业物联网变得炙手可热，一些著名芯片公司和机构也开始对无线传感网进行关注。在无线传感网的标准化上，标准化组织在2000年12月份正式批准并成立了IEEE 802.15.4工作组。ZigBee是一种速率低、功耗低、成本低的无线通信协议，为后面的无线传感网的组建和测试研究打下了基础。
1990年左右，我国提出了无线传感网的概念，并将其作为重点项目展开研究，所以我国在工业无线网产业与应用研究方面是和发达国家同步。随着时代的蓬勃发展，网络已经无处不在，可以说，现代人的生活早已经离不开网络，网络嵌入了人类生活的方方面面。需求创造价值，嵌入式网关凭借其低廉的价格和良好的数据传输稳定性，借着网络发展这个东风，在这个时期飞速发展。在人们在使用网络的同时，互联网与嵌入式网关相互作用，共同促进网络的发展。
发展嵌入式网关对现代社会意义深远，几乎无孔不入。例如，智能家居生活（smart home），工业物联网，环境监测，生物识别等。目前，在工业物联网方面实现的嵌入式网络系统实现的功能非常的丰富，不仅能对工业生产现场的设备的集中管理、数据的远程传输，还能进行远程控制、远程查询、故障反馈等一系列的功能。嵌入式网络可细分为远程登录控制子系统、数据分组子系统、数据传输子系统等。本课题的嵌入式网关设计，下位机（终端节点）与需要采集的各传感器直连，下位机对终端采集到的数据进行数据帧的修改和包装，添加头文件和校验数据位，提高数据采集的正确性，嵌入式网络连接的另一头，协调器提供自组网功能，使得所有的终端节点能够在同一个局域网内进行数据传输，协调器发送数据请求，各终端按照预先设定好的ID号先后传输数据，协调器接收到数据通过串口透明传输直接反馈给PC机。
目前，网络和嵌入式网关就像孪生兄弟一样密不可分。工业设备的联网与设备的远程操作，其意义不仅限于经济价值，更多的在于把工业设备连入网络，实现了嵌入式系统的网络化。嵌入式网络的主要技术在于网络协议之间的转换。因为计算机科学与技术的日益发展，无线网络技术也得到了长足的发展，传统的数据服务器因为高功耗和需要采用有线连接模式而逐渐被社会所淘汰，嵌入式网关解决了以上一系列问题，并且能保证数据在不同的网络之间的通信，推动了人类社会的进步。
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 研究目的和意义 1
1.3 发展现状 2
1.4 论文结构 3
2 需求分析与可行性研究 3
2.1 需求分析 3
2.2 可行性研究 6
2.3 本章小结 6
3 相关技术介绍 7
3.1 ZigBee技术概述 7
3.2 MODBUS协议 9
4 系统总体设计 11
4.1 总体设计 11
4.2 硬件设计 11
4.3 软件设计 14
5 系统调试 20
5.1 测试步骤 20
5.2 整体测试 21
5.3 节点实物图 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 本课题研究背景
随着以计算机科学技术发展为核心的工业物联网技术的蓬勃发展，各种网络之间的差异性日益变大，导致数据在不同的网络之间不能很好的交换。而且在工业领域中，许多设备因为年代久远，并没有连入互联网，数据采集由人工完成，效率低下，错误百出，所以工业仪表的互联网化势在必行。目 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
前在工业物联网中拥有许多数据传输协议，如CAN总线、RS485、Profibus、FF等，因为不同的传输协议对于数据帧格式的要求各不相同，如何在这些不同的网络之间进行数据交换成为了当今工业物联网的核心问题，网关能很好的解决此类问题。但如果采用专业服务器作为网关，虽然能完成数据采集和传输的任务，但是因为是完全服务器，所以存在成本高，功耗大等一些列问题，所以本设计采用嵌入式网关解决数据在不同传输网络当中传输的问题。
本设计采用ZigBee无线传输模块，上电以后模块即可进行自组网，进行数据的无线传输，与终端节点相连的数据采集模块首先进行数据采集，通过ZigBee网络单播发送给协调器，协调器接收数据，通过串口，有线传输给上位机进行数据采集分析，工人通过上位机可控制模拟的厂房内的环境。系统的核心是工业上普遍采用的MODBUS数据传输协议，使通信过程更加规范，返回数据遵循标准的数据帧格式，数据帧末尾添加校验位置，保证数据的可靠性。
1.2 研究目的和意义
传统的工业生产环境的监测方式是通过有线的传感器进行数据采集检测，但这种监测方式会产生许多问题，最主要的就是传感器设备必须通过有线电缆与数据中心进行连接，因为使用有线连接，故需要铺设大量的电缆，时间长且成本高，而且在某些特定的工业生产环境，如高温、高压、井下或其他不具备大规模铺设电缆条件的环境下，老式的有线连接并不能很好地进行出数据传输。但是如果采用无线传感器网络来传输终端采集到的各种数据，就能够轻松解决不满足数据有线传输条件的问题。
无线传感器件网络具有无需连线，安装成本低，后期维护方便（只需更换电池），待机时间长（拥有休眠模式）且各传感器之间相互没有直接的电气连接，所以不会存在相互干扰的问题等一系列优点。无线传感网络可以实时监测、感知和采集网络节点分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对这些采集到的数据进行分析，从而获取现实生产环境中的信息。
1.3 发展现状
现代工业生产中使用的无线网络是从原本的无线传感网络发展而来。国外工业无线网络研究在始于上个世纪90年代。直到21世纪左右，国际上才出现传感器网络研究的成果。至此，世界许多发达国家的军事部门、工业部门和学术界才开始对无线传感网络抱有浓厚的兴趣。
之后，随着计算机技术的不断发展，工业物联网变得炙手可热，一些著名芯片公司和机构也开始对无线传感网进行关注。在无线传感网的标准化上，标准化组织在2000年12月份正式批准并成立了IEEE 802.15.4工作组。ZigBee是一种速率低、功耗低、成本低的无线通信协议，为后面的无线传感网的组建和测试研究打下了基础。
1990年左右，我国提出了无线传感网的概念，并将其作为重点项目展开研究，所以我国在工业无线网产业与应用研究方面是和发达国家同步。随着时代的蓬勃发展，网络已经无处不在，可以说，现代人的生活早已经离不开网络，网络嵌入了人类生活的方方面面。需求创造价值，嵌入式网关凭借其低廉的价格和良好的数据传输稳定性，借着网络发展这个东风，在这个时期飞速发展。在人们在使用网络的同时，互联网与嵌入式网关相互作用，共同促进网络的发展。
发展嵌入式网关对现代社会意义深远，几乎无孔不入。例如，智能家居生活（smart home），工业物联网，环境监测，生物识别等。目前，在工业物联网方面实现的嵌入式网络系统实现的功能非常的丰富，不仅能对工业生产现场的设备的集中管理、数据的远程传输，还能进行远程控制、远程查询、故障反馈等一系列的功能。嵌入式网络可细分为远程登录控制子系统、数据分组子系统、数据传输子系统等。本课题的嵌入式网关设计，下位机（终端节点）与需要采集的各传感器直连，下位机对终端采集到的数据进行数据帧的修改和包装，添加头文件和校验数据位，提高数据采集的正确性，嵌入式网络连接的另一头，协调器提供自组网功能，使得所有的终端节点能够在同一个局域网内进行数据传输，协调器发送数据请求，各终端按照预先设定好的ID号先后传输数据，协调器接收到数据通过串口透明传输直接反馈给PC机。
目前，网络和嵌入式网关就像孪生兄弟一样密不可分。工业设备的联网与设备的远程操作，其意义不仅限于经济价值，更多的在于把工业设备连入网络，实现了嵌入式系统的网络化。嵌入式网络的主要技术在于网络协议之间的转换。因为计算机科学与技术的日益发展，无线网络技术也得到了长足的发展，传统的数据服务器因为高功耗和需要采用有线连接模式而逐渐被社会所淘汰，嵌入式网关解决了以上一系列问题，并且能保证数据在不同的网络之间的通信，推动了人类社会的进步。
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