摘  要： 結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)，提出一種應(yīng)用于起重機(jī)監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)。該方案網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路以MC9SDG128為控制器、CC2530為射頻收發(fā)器，詳細(xì)規(guī)劃了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)，并介紹上位監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、易擴(kuò)展、安全性高等特點(diǎn)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的運(yùn)行狀況，可廣泛應(yīng)用于起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee節(jié)點(diǎn)；無線通信；起重機(jī)監(jiān)控

    隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高，起重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機(jī)的要求也越來越高。由于起重機(jī)屬于特殊設(shè)備，機(jī)器的老化和磨損對操作的安全性影響較大。目前，越來越多的起重機(jī)上配備有專用監(jiān)控器，通過監(jiān)控起重機(jī)運(yùn)行的基本參數(shù)，就可以獲悉當(dāng)前起重機(jī)運(yùn)行狀況、剩余使用次數(shù)等信息，以利于操作人員及時(shí)地進(jìn)行部件檢修和維護(hù)，從而有效地防止事故發(fā)生。設(shè)計(jì)一套先進(jìn)的、方便使用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)生活的安全、提高監(jiān)控質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效的管理都具有十分重要的意義。但是，傳統(tǒng)的有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)只能沿著固定的線路傳輸數(shù)據(jù),傳輸介質(zhì)的架設(shè)不可避免地具有破壞建筑，存在檢修困難、擴(kuò)展困難、安裝維護(hù)費(fèi)用高的弊端。為此，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方案，較之傳統(tǒng)的方案有很大的改進(jìn)。所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通過無線通信的方式進(jìn)行傳輸[1-3]。
1 系統(tǒng)總體方案
    基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和本地監(jiān)控中心構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)能覆蓋整個(gè)工廠所有的監(jiān)控單元，構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)密的、全方位的、立體的監(jiān)控體系。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集各種信號參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)通過射頻發(fā)送器發(fā)送出去。路由節(jié)點(diǎn)是信息的中繼站，負(fù)責(zé)將距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)的終端節(jié)點(diǎn)的信號傳遞給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和維護(hù)，如為新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點(diǎn)的加入和離開等，協(xié)調(diào)器也是所有節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，負(fù)責(zé)將收到的信息通過串口向局域監(jiān)控站的PC機(jī)發(fā)送，在PC機(jī)上就可以通過監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)查詢。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路選用ARM 9系列的S3C2440微處理器為核心，加以相應(yīng)的外部擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行的基本環(huán)境。外部擴(kuò)展由幾部分組成：(1)存儲模塊：Nand Flash存儲器、SDRAM 存儲器、SD卡存儲器；(2)對外通信接口模塊：RS232串行口、ZigBee無線通信模塊。圖2所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

    Nand Flash存儲器功能：存放用戶編寫的啟動(dòng)程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序。本文采用256 MB的K9F2G08 Nand Flash存儲器。
    同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)功能：使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡化設(shè)計(jì)、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所有的程序和數(shù)據(jù)大部分是在SDRAM中與微處理器和外圍設(shè)備交互，所以SDRAM的速度對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度有著至關(guān)重要的影響。本文采用1片HY57V561620芯片作為外擴(kuò)SDRAM。
    SD卡存儲器功能：保存監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
    CC2530模塊功能：與終端設(shè)備無線通信，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。這里嵌入式處理器S3C2440 與ZigBee通信模塊CC2530的通信方式通過SPI方式實(shí)現(xiàn)，處理器S3C2440充當(dāng)SPI主器件，CC2530收發(fā)器充當(dāng)從器件。
2.2 路由器節(jié)點(diǎn)電路
    路由器節(jié)點(diǎn)直接采用ZigBee射頻芯片CC2530，其內(nèi)部有2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)、適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收發(fā)器，內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)高性能和低功耗的8 bit MCU(8051)，具有最大256 KB的可編程閃存和8 KB的RAM，同時(shí)包含有12 bit ADC、21個(gè)通用I/O、2個(gè)UART、4個(gè)定時(shí)器、AES加密協(xié)處理器等。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。微處理器全速工作時(shí)，在接收模式下電流損耗約為24 mA，發(fā)射模式下電流損耗約為29 mA。
2.3 終端節(jié)點(diǎn)電路
    無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊組成。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要由重力傳感器、電流傳感器與溫度傳感器構(gòu)成，傳感器單元對工廠監(jiān)控環(huán)境內(nèi)溫度進(jìn)行采集，重力傳感器則將重物的物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號。信號調(diào)理單元電路將采集到的信號進(jìn)行調(diào)理后送至數(shù)據(jù)處理模塊。

    主要監(jiān)控的參量如下：
    （1）SWP(Safe Work Period)的測量，SWP摒棄了傳統(tǒng)的僅以時(shí)間來衡量起重機(jī)工作歷程的方法，它將工作時(shí)間與起吊負(fù)載結(jié)合起來形成一個(gè)更加科學(xué)的反映起重機(jī)工作歷程的參量。應(yīng)用重力傳感器和變送器將重力信號轉(zhuǎn)換為電信號送入微處理器的A/D口，微處理器將重力與運(yùn)行時(shí)間經(jīng)過一定的函數(shù)關(guān)系換算出SWP值，并通過RS232總線將數(shù)據(jù)傳給CC2530模塊。
    （2）電機(jī)溫度的測量，電機(jī)溫度過高會(huì)損害電機(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤щ姍C(jī)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。應(yīng)用熱敏電阻型溫度傳感器對電機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)微處理器檢測到溫度過高時(shí)對起重機(jī)進(jìn)行限速限重的保護(hù)措施，保證電機(jī)安全。
    （3）剎車片磨損情況的監(jiān)測，剎車裝置保證起重機(jī)停止時(shí)吊鉤位置的穩(wěn)定，剎車片在吊鉤的啟停過程中會(huì)磨損，當(dāng)磨損嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成吊物懸停狀態(tài)下的滑鉤（起重機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下吊鉤仍然下行），造成重大安全隱患。
    數(shù)據(jù)處理模塊的微處理器采用Freescale公司的MS9S12DG128微控制器，它是一種高速率的16 bit處理器，具有片內(nèi)128 KB的程序存儲器(Flash EEPROM)、8 KB的RAM和2 KB的EEPROM，有兩個(gè)8通道的10 bit A/D轉(zhuǎn)換器、8個(gè)可編程PWM通道，另外有SCI、SPI、I2C、CAN總線等接口[4]。
    無線通信模塊CC2530負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的收發(fā)，完成與路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的交互工作。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括三種類型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為使操作人員能夠直觀地在PC主機(jī)上監(jiān)測各起重機(jī)的運(yùn)行狀況，在PC機(jī)上設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控程序。
    終端節(jié)點(diǎn)、路由和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都是基于ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)的。ZigBee協(xié)議棧的整體構(gòu)架如圖4所示[5-6]。其中，系統(tǒng)的功能主要在應(yīng)用層中實(shí)現(xiàn)。不同類型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層中，軟件的內(nèi)容也不一樣。對于終端節(jié)點(diǎn)來說，在應(yīng)用層中主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；在路由節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層中，主要實(shí)現(xiàn)接收來自其他節(jié)點(diǎn)的信息，然后尋找最優(yōu)路徑進(jìn)行傳遞，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層中實(shí)現(xiàn)包括網(wǎng)絡(luò)的組建、對加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址的分配以及與PC機(jī)的通信。應(yīng)用層中的各個(gè)功能采用事件觸發(fā)的形式來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)功能的要求在適當(dāng)?shù)奈恢谜{(diào)用事件觸發(fā)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制，以及設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。MAC層和物理層都是采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，MAC層負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)對等MAC實(shí)體之間可靠的鏈路。物理層定義了物理無線信道與MAC子層之間的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理。協(xié)議的各層之間通過操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的協(xié)作。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    （1）建立嵌入式開發(fā)平臺，根據(jù)自己設(shè)計(jì)的硬件平臺制作U-boot引導(dǎo)程序以及文件系統(tǒng)，定制和裁剪Linux內(nèi)核，移植到設(shè)計(jì)好的嵌入式手持設(shè)備中（這里使用操作系統(tǒng)Linux-2.6.32）；
    （2）開發(fā)相關(guān)硬件的驅(qū)動(dòng)程序，主要包括存儲卡、射頻模塊等相關(guān)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同的外設(shè)與處理器S3C2440之間的可靠通信。
    結(jié)合上面設(shè)計(jì)的嵌入式平臺，設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的綜合處理分析以及采樣命令的發(fā)送與采樣信號的接收等，再把處理過的數(shù)據(jù)通過RS232傳送給PC機(jī)。該節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    工廠中某些監(jiān)控單元距離監(jiān)控室較遠(yuǎn)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)就可能無法將采集到的信號傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，此時(shí)就需要路由來實(shí)現(xiàn)。路由的主要功能是為信息的傳遞提供接力作用，擴(kuò)大信號的傳輸范圍。路由在進(jìn)行信息傳遞時(shí)，會(huì)為經(jīng)過它的每個(gè)數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。其工作流程圖如圖6所示。
 

3.4 上位機(jī)軟件
    上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)通過RS232從協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到PC機(jī)上，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：
    （1）實(shí)時(shí)顯示。監(jiān)控系統(tǒng)把當(dāng)前時(shí)刻起重機(jī)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)顯示到屏幕上，并不斷刷新。
    （2）歷史查詢。該系統(tǒng)可以對歷史記錄進(jìn)行查詢與分類排序。
    （3）安全保障。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)異常時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的記錄呈紅色并報(bào)警，該終端節(jié)點(diǎn)也同時(shí)報(bào)警，人為復(fù)位方能消除，確保人和設(shè)備的安全。
    本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的起重機(jī)監(jiān)控單元、ZigBee無線通信模塊和PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸、顯示與存儲，完全能滿足工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控的要求。不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場由于環(huán)境復(fù)雜而造成的布線不便問題、節(jié)約了成本，而且減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是能保證工人和起重機(jī)設(shè)備的安全。較傳統(tǒng)的一些監(jiān)控方法有很大的優(yōu)勢，這也必將有很廣闊的應(yīng)用前景。
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