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Computers in Industry
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A plug-and-play data gathering system using ZigBee-based sensor network
Kun-Yung Lu *
Department of Electronics Engineering, National United University, 1 Lienda, Kungching Li, Miaoli 36003, Taiwan, ROC
A R T I C L E I N F O
Article history:
Received 18 November 2008
Received in revised form 16 June 2009
Accepted 14 May 2011
Available online 21 June 2011
Keywords:
Wireless sensor network
ZigBee
Automatic data capture
Plug-and-play
Flexible manufacturing system
Real-time
A B S T R A C T
In order to quickly establish a data gathering system in a flexible manufacturing environment, this paper presents a ZigBee-based wireless sensor network combined with a data processing system. The proposed system includes a system simulator, instrument definition module and network monitor module. System functions include network parameter setting, real-time system status sensing and data collecting, intelligent event monitoring and warning, and ad hoc response mechanisms. The proposed system enables users to quickly plug-and-play any digital instrument in their production systems and automatically capturing production data. Production controller can adopt these data to make decisions in real-time.
copy; 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.
1. Introduction
Global competition has forced many companies to alter their business practices [1,2]. To reduce inventories and improve their positions in the global supply chains, many manufacturers have been driven to shift their production strategies from build-to- forecast to build-to-order (BTO) or configuration-to-order (CTO) [3]. Manufacturers strive to be able to respond quickly as soon as possible to customer requirements. A flexible manufacturing system is usually adopted to fabricate products in small batches and to satisfy numerous specific orders. When a production line is reconfigured to fit new product processes, the installed data capturing system and/or status monitoring system must be synchronously modified in providing real-time data to shop-floor control. However, resetting cable-type devices and connecting to the existing network system, are difficult and expensive.
Wireless sensor networking is an emerging technology for the inexpensive, unattended monitoring of many industrial environ- ments [4]. Their importance has been recognized by the recent delivery of the IEEE 802.15.4 standard for the physical and MAC layers and the forthcoming ZigBee standard for network and application layers [5]. Wireless sensors are equipped with a radio
* Corresponding author. Tel.: 886 3 7381516; fax: 886 3 7362809.
E-mail address: carlu@nuu.edu.tw.
transceiver and a set of transducers through which they acquire information about the surrounding environment. When deployed in large quantities in a sensor field, these sensors can automatically organize themselves to communicate with each other by forming an ad hoc multi-hop network. A remote user can assign relative commands to the sensor network for data collection and processing and task transfer and can also later receive the messages sensed by the network [6].
To provide real-time data for production control, this study proposes a plug-and-play data capturing system based on a ZigBee-based sensor network. The proposed systems comprise an instrument definition module, system simulator and network monitor module. The system functions include network parameter setting, real-time production status sensing and data collecting, intelligent event tracing and warning, and ad hoc response mechanisms. A user can easily define the data transfer protocols of any digital instrument and then connect the defined instrument to the ZigBee sensor node. This study aims at establishing a wireless and portable data gathering environment.
The rest of this paper is organized as follows: Section 2 describes production control problems and ZigBee sensor network applications. Section 3 briefly describes the ZigBee communication protocol. The detailed specifications of the proposed model are then described in Section 4. Section 5 introduces the implementa- tion of the proposed model. Discussions and conclusions are finally drawn in Section 6.
0166-3615/$ – see front matter copy; 2011 Elsevier B.V. All rights reserved. doi:10.1016/j.compind.2011.05.002
2. Literature review
The core elements of the shop-floor control problem have been addressed extensively in recent decades. Melnyk and Ragate focused on the information system required to maintain and exchange information between the work order (WO) and the work center [7]. According to their results, an effective control mechanism must include order review and release, detailed scheduling, data collection and monitoring, emergency control and feedback and order disposition. Its main functions are to prioritize WO, transfer messages regarding work-in-process (WIP) and WO to the material requirement planning (MRP) layer, and supply real-time information concerning the work center to the capacity planning layer. The key control element was the order review and release function to adjust the schedules and routes of the work order [8,9].
Real-time information relating to the status of production lines includes information concerning resources, jobs and qualities. The information relating to the resources includes machines, WIPs, tools, labors, etc. The
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采用基于ZigBee传感网的即插即用数据采集系统
摘要：
为了在多变的制造环境中快速地建立一个数据采集系统，本文提出了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络，这一网络连接一个数据处理系统。本系统包括系统模拟器、仪器定义模块和网络监控模块。系统功能包括网络参数的设置，系统实时状态的检测和数据的采集，智能事件的监测和预警，并特设响应机制。该系统可以快速地让用户在他们的生产系统里即插即用任何数字设备和自动采集生产数据。生产控制者可以利用这些数据进行实时决策。
1.引言
全球化的竞争已经迫使很多公司改变他们的商业惯例[1,2]。为了减少库存和提高其在全球供应链中的位置，许多制造商已经被迫转移生产策略，从按预测生产到按订单生产或按订单配置[3]。制造商通过努力能够尽快响应客户的要求。一个灵活的制造系统通常被用来生产小批量的产品和满足许多具体命令。在一个生产线重新配置以适应新产品的生产过程中，安装的数据采集系统和/或状态监测系统必须实时改进以提供实时的数据给车间控制系统。然而，重新设置电缆式设备和连接到现有的网络系统既困难价格又昂贵。
无线传感器网络是一门新兴的技术，应用于许多廉价的、无人值守监控的工业环境中[4]。由于最近为物理层和MAC层的IEEE 802.15.4标准和即将到来的为网络层和应用层的ZigBee标准的颁布，人们已经认可它们的重要性[5]。无线传感器配备无线电收发机和一组传感器，通过它们获取有关周围环境的信息。当部署了大量的传感器时，这些传感器可以自动组织起来形成一个特设的多跳网络互相通信。远程用户可以指定相关命令对传感器网络进行数据采集处理和任务转移，也可以随后收到通过网络感知的信息[6]。
为了给生产控制提供实时数据，本研究提出了一个基于ZigBee传感器网络的即插即用数据采集系统。该系统包括一个仪器定义模块，系统仿真和网络监控模块。系统功能包括网络参数设置，实时生产状况的感知和数据采集，智能的事件跟踪和预警，并特设响应机制。用户可以很容易地定义任何数字仪表的数据传输协议，然后连接被定义的设备到ZigBee传感器节点。本研究旨在建立一种无线和轻便的数据采集环境。
本文的其余部分安排如下：第2节介绍了生产控制问题和ZigBee传感器网络的应用。第3节简要介绍了ZigBee通信协议。该模型的详细的规格安排在第4节中描述。第5部分介绍了该模型的实现。第6节中讨论并最后得出结论。
2.文献综述
近几十年来，车间控制问题的核心要素已经被广泛地讨论。Melnyk和Ragate专注于需要在工作秩序和工作中心之间维护和交流信息的信息系统[ 7 ]。根据他们的结论，一个有效的控制机制必须包括顺序审核和发布，详细的调度，数据采集和监控，紧急控制和反馈、订单处理。它的主要功能是安排工作顺序，传递有关工作过程和工作顺序的信息给物料需求计划层，并且提供关于工作中心的实时信息给产能规划层。关键的控制元素是顺序评审与发布适应进度表和工作顺序的功能。
联系到生产线状态的实时信息包括相关的资源、工作和品质的信息。关于资源的信息包括机器、工作过程、工具、劳动力等等。有关工作的信息包括每个操作的跟踪数据，相关完整过程的数据和关于进度表的信息[ 10 ]。
在实践中，许多变量需要在制定生产决策时考虑[ 11 ]。例如，一个维修决策是基于各种可变因素，包括备件的可用性、维修人员的技能和经验、人力资源和维护策略[12–14 ]。然而，这些变量意味着确定性和不确定性条件，特别是在动态变化的环境里[ 15 ]。因此，迅速处理生产现状和无缝地提供相关生产信息是生产控制器作出决策的关键因素。实时信息使生产控制器改善车间控制的决定。
无线传感器网络是一个新兴的低成本技术，应用在许多无人值守的工业监控环境中[16]。他们的重要性已经明显被最近采用的物理层和MAC层的IEEE 802.15.4标准和即将推出的网络层和应用层的ZigBee标准所证明[ 5 ]。当通过无线介质组成网络在一起时，这些设备可以联动自己的感知功能。
涵盖不同领域的传感器网络的各种应用已经出现，包括医药、农业、环境、军事、库存监控、入侵检测、运动跟踪、机器故障、玩具和许多其他方面。在医学上，传感器网络可以用来远程监控生理参数，如不起眼的心跳和血压，当他们达到指定的阈值时，可以立刻将这些参数报告给医院[17,18]。在农业方面，传感器网络可以监测大型栽培地区不同区域的气候条件和计算水或不同化学物质的需求。污染检测系统也可以从传感器网络受益。传感器可以监测城镇或河流里的污染物和识别异常的情况下污染源。类似的检测系统可用来监测降雨和水位，预防洪水，火灾或其他自然灾害[ 19 ]。其他可能的应用包括家用/办公自动化、教育、库存监控、入侵检测、运动跟踪和机器故障[ 20–22 ]。
3.ZigBee和相关的工作简短的描述
ZigBee联盟[ 23 ]是一个协会，该协会致力于开发可靠的、具有低成本高效益、低功耗的无线网络标准。在全世界范围内，ZigBee技术可以被嵌入在许多产品和消费者、商业、工业和政府的应用领域里。ZigBee是建立在IEEE802.15.4 标准上的，它定义了物理层和MAC层，作为低成本、低速率的个人区域网络。ZigBee定义了网络层详细说明，如星形、树形和点对点网络拓扑，而且为应用层的应用程序提供了一个框架。
物理层支持三个频段：2.4 GHz频段（带有16频道），915 MHz频段（带有10频道）和868MHz频段（带有1频道），所有这些都使用直接序列扩展频普接入方式。2.4GHz频带使用偏移正交相移键控调制而868/915MHz频段依靠二进制相移键控调制。除了开/关操作无线电，物理层支持信道选择、链路质量估计、能源检测计量和清除信道评估功能。
ZigBee规范更高层的协议栈。网络层控制组织和多跳网络的路由（建立在IEEE 802.15.4功能关系的顶层）而应用层提供了一个分布式应用开发和通信框架。应用层包括应用程序对象，ZigBee设备对象和应用子层。ZigBee设备对象提供服务，使应用程序对象彼此发现并组织成一个分布式应用。应用子层使数据和安全服务与应用对象和ZigBee设备对象连接在一起。
根据ZigBee联盟组织的宣布，与其他无线技术相比，ZigBee协议和产品有几个优势，尤其是在短距离、低数据率的工作领域[ 24 ]。ZigBee技术是非常适合于大范围的能源管理与效率、工业、医疗、家庭自动化方面的应用。事实上，需要互操作性和/或IEEE 802.15.4标准的射频性能特性的应用将受益于ZigBee解决方案。
4．系统结构
4.1 ZigBee网络
下面描绘由ZigBee网络系统建立的监测网络。该网络包括一个连接到服务器的主节点和一系列的客户端节点，他们可以分为主节点、传感器节点、采集器节点、执行器节点和控制器节点。每个单元的主要功能描述如下。
服务器：发出相应的命令给网络并且收集来自ZigBee传感器网络的响应信息。
数据库：记录系统配置数据和系统的监测数据。
主节点：收集原始监测数据且报告给管理软件；通过USB或RS232端口连接到服务器。
采集节点（收集器）：组成数据采集和状态监控网络的骨干。基于网格的网络结构，所有的收集器都能自己组织成一个网络覆盖多变的环境。
设备控制器：控制执行器的动作以启动或关断被连接的设备或机器。
检查节点（控制器）：当目标对象登录到工作站时，充当一个检查者。一个客户机可以与一个检查节点连接，用于显示系统的实时信息并且当一个具体的事件发生时，发出控制命令给网络。
报警装置：充当一种用来通知生产控制器紧急报告者。
4.2 系统设备及元件
在本研究中，网络系统采用Helicomm IP链路系列无线模块[ 25 ]。该IP模块的运行于2.4GHz频段，这是一个符合IEEE802.15.4/ZigBee标准的ISM频段。该模块有几个有吸引力的特点，如丰富的接口（DIO，RS232／485和USB端口等）、高可靠性、优良的抗干扰性、大网络容量和通过ZCP（ZigBee兼容平台）和FCC的路由等级与认证。为了提供系统的参数和记录工作数据，MySQL与微软Access数据库被嵌入在这个系统中[ 26 ]。
4.3 网络操作理论
一个IP链路系列可以配置成多种网络拓扑结构，以满足不同的应用需求，如星形、树形和网形。它允许用户设计一个最匹配它们的安装条件和应用需要的网络。本研究采用网状拓扑结构来配置所提出的网络。网状网络是一个被设计为高度的环境适应性自由形式的拓扑结构。在网状网络中的每个节点是一个小的路由器，它能够重新评估其路由决策以提供最强大的、可靠的网络基础设施的可能。
被配置为一个网格节点后（RN 或主节点），每个节点能够监测周围的RF条件，相邻节点的活动，和端到端的分组错误率的统计来调整其本地路由决策。这种适应性对于面临不确定性和不可预知的链路状态的网络设计是非常有价值的。网格对于高度非结构化的网络部署是理想的。当部署的前提是开放的而且潜在的干扰源或障碍是可以预见的，网状拓扑结构是一种确保无线连接的可靠方式。特别是当部署的精度是中等或高要求时，通过网格拓扑结构增加的冗余能增加一个重要的设计空白和灵活性到整体网络中。
4.4 即插即用的工作原理
下面说明一个即插即用的数据采集系统的工作原理。主要的工作程序可分为六个步骤。
步骤1：用户必须预先定义一个特定工具的数据定义并且定义的数据定义存储到数据定义表中。数据定义可以用来与传感器网络中捕获的数据有效载荷进行比较。
步骤2：具有一个数据定义被记录在数据库中的仪器在任何时间可以连接到ZigBee客户端节点以捕获数据。
步骤3：当客户端节点收集来自相连接的仪器的有效载荷时，捕获的有效载荷将上传到主节点。
步骤4：如果一个合法的有效载荷传输到主节点，主节点将解析有效载荷和提取基于ZigBee设备协议（5节中所描述的装置5）数据模式。
步骤5：然后，所提取的数据模式应与预定义的数据定义的比较。如果一个有效的数据定义记录在数据库中找到，数据模式将被分解为原始数据格式。
步骤6：最后，将解析后的数据储存到数据库。5. Implementation
5．实施
5.1 信息系统基础设施
下面描述了该信息系统的信息基础设施。该系统由三个主要模块组成：系统配置模块，仪器定义模块和系统监控模块。这些模块的详细功能描述如下。
5.1.1 系统配置模块
系统配置模块配置和设置网络系统的特性和工作参数如下。
网络性能：用于配置ZigBee节点如波特率、奇偶校验、数据位和停止位的PC性能，与ZigBee节点的通信参数，如信道、射频功率、网络ID、节点ID和数据模式。所有配置数据被记录到系统数据库。启动系统时，指定的数据自动加载，可以重新建立来自数据库的网络。
ZigBee节点布局：用于设置ZigBee节点的位置。这项研究提供了一个友好的GUI界面给编程节点布局的系统设计人员。设计者应提前准备一个BMP型工厂布局图。制作节点的布局时，系统软件可以加载所选工厂图给GUI界面。设计者应该然后点击鼠标左键搭建ZigBee节点，点击鼠标右键，从GUI界面删除指定节点。系统软件可以自动记录在数据库中的节点位置。在系统运行过程中，指定的节点被触发时，这些位置数据可以用来比较节点的位置。在运行阶段，布局图作为一个跟踪窗口显示节点信息。
系统控制命令：像系统运行、数据收集和状况报告这样的命令可以由用户自己基于他们的监测方案而指定。本研究提出了一个下拉式的用户界面来设置所需的命令。图6显示了一个定义命令867F000403AD0401例子。命令867f000403ad0401可以用来重新设定一个指定节点的针脚电压。当系统运行时，服务器可以自动发送命令给节点4以通过DIO端口控制被连接装置。所有用户定义的命令存储在服务器的数据库中。该IP链路系列提供二十四种命令给用户来配置应用系统。读者可以从网站www.helicomm.com得到这些命令的详细描述。
此外，这项研究提供了以下数据处理指令以便在网络中交换生产信息。系统控制器可以方便地使用这些命令来监测环境状况并控制生产系统。
这项工作的嵌入式智能ECA（事件-条件-运行）引擎用于连续监测系统的运行。用户可以预定义系统运行的相应事件。定义的事件必须与上述相应的命令的工作。当系统检测到预定义事件时，系统会发出相应的控制命令或保留消息的响应给目标节点。这项研究提供了几种事件给用户模拟生产运行。
5.1.2 仪器定义模块
这个模块提供的每个仪器的规格和工作条件。详细功能描述如下。
测量数据的定义：这是该模型的核心功能。图7显示了一个仪器的数据定义界面。每台仪器必须在连接ZigBee节点之前描述它的通信协议和相应的规格。
节点使用设置：该函数描述了ZigBee节点的用法。这项研究将节点的用法分类为收集器，传感器和执行器。当一个节点被表示为收集器时，它能够与收集数据的仪器连接。当一个节点被表示为一个传感器时，它被用于监视基于所述附加传感器的工作条件。否则，执行器被用于控制所连接的执行器。
仪器和节点耦合：此功能是指一个ZigBee节点和相应的仪表、传感器或分配给该节点的执行器的耦合。当耦合过程完成后，系统会自动生成一个基于测量数据的定义相应的数据表。生成的表作为系统运行的数据记录器。生产的控制器可以从这些数据表查看生产现状。
5.1.3 系统监控模块
本模块负责监测系统。用户可以执行系统使用手动模式或自动模式。如果系统执行手动模式，用户必须指定一个目标节点进行监控。传感数据可以以图形或表格类型显示。另一方面，用户必须选择所需的命令集和事件集以在自
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