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基于ZigBee无线传感器网络的起重机监控系统
来源:微型机与应用2012年第4期
周西峰,徐 扬,郭前岗
(南京邮电大学 自动化学院,江苏 南京210046)
摘要: 结合ZigBee无线通信技术,提出一种应用于起重机监控的无线传感网络系统架构。该方案网络节点硬件电路以MC9SDG128为控制器、CC2530为射频收发器,详细规划了网络中节点硬件和软件设计,并介绍上位监控系统。该系统具有低成本、低功耗、易扩展、安全性高等特点,能实时监控起重机的运行状况,可广泛应用于起重机监控系统。
Abstract:
Key words :

摘  要: 结合ZigBee无线通信技术,提出一种应用于起重机监控的无线传感网络系统架构。该方案网络节点硬件电路以MC9SDG128为控制器、CC2530为射频收发器,详细规划了网络中节点硬件和软件设计,并介绍上位监控系统。该系统具有低成本、低功耗、易扩展、安全性高等特点,能实时监控起重机的运行状况,可广泛应用于起重机监控系统。
关键词: 无线传感器网络;ZigBee节点;无线通信;起重机监控

    随着现代科学技术的迅速发展、工业生产规模的扩大和自动化程度的提高,起重机在现代化生产过程中应用越来越广,作用愈来愈大,对起重机的要求也越来越高。由于起重机属于特殊设备,机器的老化和磨损对操作的安全性影响较大。目前,越来越多的起重机上配备有专用监控器,通过监控起重机运行的基本参数,就可以获悉当前起重机运行状况、剩余使用次数等信息,以利于操作人员及时地进行部件检修和维护,从而有效地防止事故发生。设计一套先进的、方便使用的远程监控系统,对于实现生产生活的安全、提高监控质量、实现科学有效的管理都具有十分重要的意义。但是,传统的有线监控网络只能沿着固定的线路传输数据,传输介质的架设不可避免地具有破坏建筑,存在检修困难、扩展困难、安装维护费用高的弊端。为此,本文设计了基于ZigBee无线传感器网络的监控方案,较之传统的方案有很大的改进。所谓无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络,数据通过无线通信的方式进行传输[1-3]。
1 系统总体方案
    基于ZigBee无线传感器网络的起重机监控系统由现场监控节点(终端节点)、路由节点、协调器节点和本地监控中心构成,该网络能覆盖整个工厂所有的监控单元,构成一个严密的、全方位的、立体的监控体系。其系统总体结构如图1所示。系统中各监控节点采集各种信号参数,并且将数据通过射频发送器发送出去。路由节点是信息的中继站,负责将距离协调器较远的终端节点的信号传递给协调器。网络协调器负责监控网络的建立、管理和维护,如为新加入的设备分配网络地址、节点的加入和离开等,协调器也是所有节点信息的汇聚点,负责将收到的信息通过串口向局域监控站的PC机发送,在PC机上就可以通过监控软件实现对终端节点的实时查询。

2 硬件设计
2.1 协调器节点电路

    协调器节点电路选用ARM 9系列的S3C2440微处理器为核心,加以相应的外部扩展,实现程序运行的基本环境。外部扩展由几部分组成:(1)存储模块:Nand Flash存储器、SDRAM 存储器、SD卡存储器;(2)对外通信接口模块:RS232串行口、ZigBee无线通信模块。图2所示为系统硬件结构图。


    Nand Flash存储器功能:存放用户编写的启动程序、操作系统内核以及应用程序。本文采用256 MB的K9F2G08 Nand Flash存储器。
    同步动态随机存储器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)功能:使用SDRAM不但能提高系统表现,还能简化设计、提供高速的数据传输。在系统运行时,所有的程序和数据大部分是在SDRAM中与微处理器和外围设备交互,所以SDRAM的速度对于整个系统的运行速度有着至关重要的影响。本文采用1片HY57V561620芯片作为外扩SDRAM。
    SD卡存储器功能:保存监控系统实时采集的监控数据。
    CC2530模块功能:与终端设备无线通信,负责数据的无线收发。这里嵌入式处理器S3C2440 与ZigBee通信模块CC2530的通信方式通过SPI方式实现,处理器S3C2440充当SPI主器件,CC2530收发器充当从器件。
2.2 路由器节点电路
    路由器节点直接采用ZigBee射频芯片CC2530,其内部有2.4 GHz的RF无线电收发机、适应2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收发器,内存和微控制器。它使用一个高性能和低功耗的8 bit MCU(8051),具有最大256 KB的可编程闪存和8 KB的RAM,同时包含有12 bit ADC、21个通用I/O、2个UART、4个定时器、AES加密协处理器等。CC2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。微处理器全速工作时,在接收模式下电流损耗约为24 mA,发射模式下电流损耗约为29 mA。
2.3 终端节点电路
    无线传感器终端节点由数据采集模块、信号调理模块、数据处理模块、无线通信模块组成。节点硬件结构框图如图3所示。数据采集模块主要由重力传感器、电流传感器与温度传感器构成,传感器单元对工厂监控环境内温度进行采集,重力传感器则将重物的物理量转换为相应电信号。信号调理单元电路将采集到的信号进行调理后送至数据处理模块。

 

 

    主要监控的参量如下:
    (1)SWP(Safe Work Period)的测量,SWP摒弃了传统的仅以时间来衡量起重机工作历程的方法,它将工作时间与起吊负载结合起来形成一个更加科学的反映起重机工作历程的参量。应用重力传感器和变送器将重力信号转换为电信号送入微处理器的A/D口,微处理器将重力与运行时间经过一定的函数关系换算出SWP值,并通过RS232总线将数据传给CC2530模块。
    (2)电机温度的测量,电机温度过高会损害电机,严重时甚至会烧毁电机,造成重大的经济损失和安全隐患。应用热敏电阻型温度传感器对电机温度进行实时监测,当微处理器检测到温度过高时对起重机进行限速限重的保护措施,保证电机安全。
    (3)刹车片磨损情况的监测,刹车装置保证起重机停止时吊钩位置的稳定,刹车片在吊钩的启停过程中会磨损,当磨损严重时会造成吊物悬停状态下的滑钩(起重机停止状态下吊钩仍然下行),造成重大安全隐患。
    数据处理模块的微处理器采用Freescale公司的MS9S12DG128微控制器,它是一种高速率的16 bit处理器,具有片内128 KB的程序存储器(Flash EEPROM)、8 KB的RAM和2 KB的EEPROM,有两个8通道的10 bit A/D转换器、8个可编程PWM通道,另外有SCI、SPI、I2C、CAN总线等接口[4]。
    无线通信模块CC2530负责监控数据的收发,完成与路由节点、协调器节点的交互工作。
3 系统软件设计
    软件设计包括三种类型节点的设计,同时为使操作人员能够直观地在PC主机上监测各起重机的运行状况,在PC机上设计了整个系统的上位机监控程序。
    终端节点、路由和协调器节点都是基于ZigBee协议栈进行设计的。ZigBee协议栈的整体构架如图4所示[5-6]。其中,系统的功能主要在应用层中实现。不同类型节点的应用层中,软件的内容也不一样。对于终端节点来说,在应用层中主要实现数据的发送;在路由节点的应用层中,主要实现接收来自其他节点的信息,然后寻找最优路径进行传递,协调器节点的应用层中实现包括网络的组建、对加入网络的节点网络地址的分配以及与PC机的通信。应用层中的各个功能采用事件触发的形式来实现,根据功能的要求在适当的位置调用事件触发函数,实现相应的功能。网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接,主要包括设备连接和断开网络时所采用的机制,在帧信息传输过程中所采用的安全性机制,以及设备的路由发现、路由维护和转交。MAC层和物理层都是采用IEEE802.15.4标准,MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN连接和分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。物理层定义了物理无线信道与MAC子层之间的接口,实现数据传输和物理信道的管理。协议的各层之间通过操作系统来实现稳定可靠的协作。

3.1 协调器节点软件设计
    (1)建立嵌入式开发平台,根据自己设计的硬件平台制作U-boot引导程序以及文件系统,定制和裁剪Linux内核,移植到设计好的嵌入式手持设备中(这里使用操作系统Linux-2.6.32);
    (2)开发相关硬件的驱动程序,主要包括存储卡、射频模块等相关驱动,实现不同的外设与处理器S3C2440之间的可靠通信。
    结合上面设计的嵌入式平台,设计相关的软件,协调器节点主要负责数据的综合处理分析以及采样命令的发送与采样信号的接收等,再把处理过的数据通过RS232传送给PC机。该节点软件设计流程图如图5所示。

3.2 路由节点软件设计
    工厂中某些监控单元距离监控室较远时,传感器节点就可能无法将采集到的信号传送到协调器节点,此时就需要路由来实现。路由的主要功能是为信息的传递提供接力作用,扩大信号的传输范围。路由在进行信息传递时,会为经过它的每个数据帧寻找一条最佳传输路径,并将该数据有效地传送到协调器节点。其工作流程图如图6所示。
 

3.4 上位机软件
    上位机采用NI公司的LabVIEW软件进行编程,数据通过RS232从协调器节点发送到PC机上,上位机监控系统实现以下几种功能:
    (1)实时显示。监控系统把当前时刻起重机终端节点发来的数据显示到屏幕上,并不断刷新。
    (2)历史查询。该系统可以对历史记录进行查询与分类排序。
    (3)安全保障。当某节点采集的数据异常时,该节点的记录呈红色并报警,该终端节点也同时报警,人为复位方能消除,确保人和设备的安全。
    本文设计的基于ZigBee无线传感器网络的起重机监控系统中的起重机监控单元、ZigBee无线通信模块和PC机实现了整个系统中数据的实时采集、可靠传输、显示与存储,完全能满足工业现场监控的要求。不仅解决了工业现场由于环境复杂而造成的布线不便问题、节约了成本,而且减少了工人的劳动强度、提高了企业的经济效益,更重要的是能保证工人和起重机设备的安全。较传统的一些监控方法有很大的优势,这也必将有很广阔的应用前景。
参考文献
[1] 王翠茹.基于ZigBee技术的温度采集传输系统[J].仪表技术与传感器,2008(7):103-106.
[2] 黄婷婷,刘占良,毛新华.基于ZigBee无线通信的温度测控系统设计[J].安徽农业科学,2010,38(14):7562-7563,7580.
[3] 苗连强,胡会萍.基于ZigBee技术的温室环境远程监测系统设计[J].仪表技术与传感器,2010(10):108-110.
[4] 王宜怀,刘晓升.嵌入式系统:使用HCS12微控制器的设计与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[5] 高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.
[6] 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.