基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要： 結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，提出一種應(yīng)用于起重機(jī)監(jiān)控的無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee節(jié)點(diǎn)；無(wú)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(guò)程中應(yīng)用越來(lái)越廣，作用愈來(lái)愈大，對(duì)起重機(jī)的要求也越來(lái)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(duì)操作的安全性影響較大。目前，越來(lái)越多的起重機(jī)上配備有專用監(jiān)控器，通過(guò)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(duì)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)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(guò)無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)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(hào)參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)通過(guò)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(hào)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(guò)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(guò)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)模塊：Nand Flash存儲(chǔ)器、SDRAM 存儲(chǔ)器、SD卡存儲(chǔ)器；(2)對(duì)外通信接口模塊：RS232串行口、ZigBee無(wú)線通信模塊。圖2所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

Nand Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器。
同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(jiǎn)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(duì)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(chǔ)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(wú)線通信，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)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(guò)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(wú)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(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)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(duì)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(hào)。信號(hào)調(diào)理單元電路將采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后送至數(shù)據(jù)處理模塊。