基于ZigBee的铝电解槽在线监测系统设计与实现

摘要

ZigBee技术作为一种新型的无线网络测控技术，凭借其超低的功耗、灵活的组网策略以及高可靠的网络数据传输性能，在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中具有十分广泛的应用，然而在国内的应用非常有限。在铝电解厂生产过程中，对铝电解槽温度的实时温度监测不容忽视，它将影响电解槽槽壳的形状和寿命。本文主要针对ZigBee无线传感器网络技术展开研究，设计了一种基于ZigBee技术的铝电解槽在线监测系统，该系统安装方便，在适应能力、数据传输、数据显示、数据精度等方面都达到了预期的效果，性能稳定，能够适应恶劣工业环境的温度实时监测要求。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了IEEE802.15.4协议与ZigBee标准规范，标准的架构、数据传输机制、网络拓扑，并根据碰撞回弹策略，提出了一种基于改进自适应粒子群优化算法的ZigBee无线传感器网络覆盖优化算法。通过相同环境对比，改进ZigBee覆盖优化算法可以明显提高网络覆盖率，能够帮助ZigBee无线传感器网络进行最佳化节点布局，并依此提出本文在线监测系统的总体设计方案。⑵设计了本文ZigBee无线传感器网络的协调器节点、路由器节点以及终端传感器节点的的硬件电路原理图。节点的设计方式采用模块化的硬件设计形式，主要有时钟电路模块、射频天线模块、电源模块等，芯片选用CC2530处理器，协调器节点还包括CH340G串口通信模块，终端传感器节点还包括温度采集模块，该模块温度传感器采用MLX90614数字式非接触式红外温度传感器，该传感器具有抗干扰能力强、精度高等特特点。⑶对ZigBee无线传感器网络的协调器节点、路由器节点和终端传感器节点的软件流程进行设计并分析了部分重要程序，包括数据的发送接收以及传感器节点的数据采集和处理函数，并基于B/S模式对监测中心的上位机软件进行了简单的架构设计。⑷对设计的基于ZigBee技术的铝电解槽在线监测系统进行了测试。先对系统ZigBee无线传感器网络部分进行可靠性测试，当节点之间距离在一定范围内，数据传输基本不会出现丢包，网络工作可靠；接着在现场进行系统测试，测试结果满意，采集温度误差基本保持在3℃以内，同时相比其它文献中的系统能够测量更广的温度范围。通过基于B/S模式的上位机软件能够实时显示各终端传感器节点采集的铝电解槽侧壁当前温度，并且可以获得每个终端传感器节点的历史温度信息并绘制折线图，有效帮助铝电解厂工作人员实时分析铝电解槽槽况。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容与组织结构

第2章 ZigBee无线传感器网络简介与覆盖优化算法设计

2.1 IEEE802.15.4协议简介

2.2 ZigBee规范简介

2.3 一种基于改进PSO算法的ZigBee无线传感器网络覆盖优化算法

2.4 系统总体设计方案

2.5 本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1 CC2530概述

3.2 协调器节点硬件设计

3.3 路由器节点硬件设计

3.4 温度传感器选型与简介

3.5 终端传感器节点硬件设计

3.6 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1 系统开发环境

4.2 ZigBee无线传感器网络软件设计

4.3 监测中心上位机可视化程序设计

4.5 本章小结

第5章 基于ZigBee的铝电解槽在线监测系统测试与结果分析

5.1 ZigBee无线传感器网络可靠性测试

5.2 现场测试与分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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