摘" 要：為實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)警，設(shè)計(jì)基于ZigBee短距離無線通信技術(shù)的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取機(jī)械設(shè)備的電流、振動(dòng)、溫度等狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)ZigBee無線模塊的終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將信號(hào)上傳至上位機(jī)監(jiān)控中心。為了提高信號(hào)質(zhì)量，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波、放大。最終在液晶顯示器上實(shí)時(shí)、直觀地呈現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果，對(duì)提升機(jī)械設(shè)備管理效率和延長機(jī)械設(shè)備使用壽命有積極幫助。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；Zstack協(xié)議棧；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TH17" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）36-0114-04

Abstract： In order to realize real-time monitoring and fault warning of mechanical equipment operating status， a mechanical equipment status monitoring system based on ZigBee short-range wireless communication technology is designed. The system obtains status signals such as current， vibration， and temperature of mechanical equipment through the data acquisition module， and uploads the signals to the upper computer monitoring center through the terminal node and coordinator node of the ZigBee wireless module. In order to improve signal quality， a signal conditioning circuit is designed for A/D conversion， filtering， and amplification. Finally， the monitoring results are displayed in real time and intuitively on the LCD display， which is positive for improving the efficiency of mechanical equipment management and extending the service life of mechanical equipment.

Keywords： status monitoring system; ZigBee technology; data acquisition; ZStack protocol stack; design and implementation

機(jī)械設(shè)備在復(fù)雜工作環(huán)境下運(yùn)行一段時(shí)間后，由于自身老化磨損和外界環(huán)境影響，不可避免會(huì)出現(xiàn)各種異常工況，通常表現(xiàn)為溫度異常、振動(dòng)異常等。融合了傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、微處理器技術(shù)的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，一方面可以利用多種高精度傳感器實(shí)時(shí)采集機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，另一方面充分發(fā)揮ZigBee技術(shù)功耗低、延時(shí)短、安全性高、協(xié)議簡單、成本低廉等優(yōu)勢，將狀態(tài)信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)上傳至上位機(jī)監(jiān)控中心，滿足了實(shí)時(shí)監(jiān)測的需要。

1" 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文用ZigBee短距離無線通信技術(shù)代替有線通信，設(shè)計(jì)了機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由3個(gè)模塊組成，即數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee無線模塊以及上位機(jī)監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)采集模塊直接與機(jī)械設(shè)備相連，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備信號(hào)（如電流信號(hào)、溫度信號(hào)等）并通過通信串口上傳至ZigBee無線模塊的終端節(jié)點(diǎn)。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)匯總到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最后上傳至上位機(jī)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)備包括各類傳感器和微處理器，以及配套的電源、信號(hào)調(diào)理電路等，支持?jǐn)?shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和發(fā)送。傳感器獲取的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后變成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，此外為了提高信號(hào)質(zhì)量還要進(jìn)行FIR濾波、降噪等處理，處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中。

ZigBee無線模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，因此對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性提出嚴(yán)格要求。本系統(tǒng)中ZigBee無線模塊的硬件設(shè)備包括微處理器、電源、串口以及配套的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，如圖2所示。另外，在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中添加了2種類型的節(jié)點(diǎn)：一種是終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)發(fā)送入網(wǎng)申請，與采集模塊建立通信并接收數(shù)據(jù)，同時(shí)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下達(dá)的指令；另一種是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收入網(wǎng)請求以及接收終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等[1]。

上位機(jī)監(jiān)控中心的硬件為液晶顯示屏，支持人機(jī)交互；軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，有用戶登錄模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、信號(hào)分析模塊以及預(yù)警顯示模塊等。

2" 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1" 傳感器的選型

傳感器用于采集機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)速、溫度、電流等運(yùn)行參數(shù)，選擇合適的傳感器能夠保證獲取數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測以及故障的準(zhǔn)確診斷至關(guān)重要。本文在選擇傳感器時(shí)主要考慮了工作特性（靈敏度、分辨率等）、工作環(huán)境（耐腐蝕、抗干擾等）、自身參數(shù)（尺寸、功耗等）3項(xiàng)指標(biāo)。以溫度傳感器為例，選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，采用集成化設(shè)計(jì)不僅尺寸小巧，而且穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境并且保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該傳感器可通過I/O口與微處理器直連，將采集數(shù)據(jù)以12位數(shù)字量經(jīng)串口傳送至ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)。工作電壓3.0 V，功耗較低；溫度測量范圍-50～ +120 ℃，測量范圍廣、測量精度高，能夠滿足大多數(shù)機(jī)械設(shè)備的溫度監(jiān)測需要。

2.2" 微處理器的選型

微處理器的功能是控制傳感器采集快速變化的機(jī)械設(shè)備信號(hào)，考慮到機(jī)械設(shè)備種類復(fù)雜、信號(hào)多樣，因此所選微處理器必須具備同時(shí)處理多通道數(shù)據(jù)的能力。本文在設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，選擇了TMS320F28335芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊的微處理器，該處理器采用內(nèi)嵌的哈佛結(jié)構(gòu)，可以將程序與數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)；采用流水線模式執(zhí)行程序，顯著提高了信號(hào)處理速度；此外還具有集成化程度高、可重復(fù)性好等優(yōu)勢[2]。在性能方面，TMS320F28335采用主頻為180 MHz的32位CPU和8 MB的尋址空間（4 MB的程序?qū)ぶ泛? MB的數(shù)據(jù)尋址）；提供3個(gè)定時(shí)器，2個(gè)為常規(guī)定時(shí)器，1個(gè)控制芯片運(yùn)行；提供2個(gè)8通道的復(fù)用輸入接口，最大轉(zhuǎn)換速度為110 ns。

2.3" 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中不同傳感器的輸出信號(hào)存在差異，例如DS18B20溫度傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，可直接發(fā)送給微處理器；而KHCT911L電流傳感器輸出的電流信號(hào)屬于模擬信號(hào)，必須要經(jīng)過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被微處理器識(shí)別。另外，部分機(jī)械設(shè)備提供的電流信號(hào)中混雜著多種頻率，可用于表征機(jī)械設(shè)備運(yùn)行工況和故障信息的電流信號(hào)主要集中在低頻部分，這種情況下就需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路濾除電流信號(hào)中的高頻部分，避免因?yàn)樾盘?hào)混疊而影響最終監(jiān)測結(jié)果的精度。本文以LM324運(yùn)算放大器為核心設(shè)計(jì)了多個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，如面向振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理電路、面向電流信號(hào)的調(diào)理電路等，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波、放大等功能。以電流信號(hào)調(diào)理電路為例，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.4" ZigBee無線模塊的硬件設(shè)計(jì)

在ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)中，ZigBee的選型是否合理將直接決定系統(tǒng)的開發(fā)難度和監(jiān)測效果。目前市場上主流的ZigBee芯片有Jennie系列、Ember系列、TI系列等。本文選擇了TI系列的CC2530-F256型芯片，該芯片采用集成化設(shè)計(jì)，集成了RF收發(fā)器、8051微處理器等，最快傳輸速率可達(dá)260 kbps；支持3種運(yùn)行模式，可以根據(jù)無線通信需要自動(dòng)在不同模式之間切換，在滿足即時(shí)通信要求的前提下降低了運(yùn)行功耗；兼容RemoTI、Z-Stack、CSMA/CA等多種通信協(xié)議，對(duì)提高無線通信的穩(wěn)定性有積極幫助。電源方面，ZigBee無線模塊的終端節(jié)點(diǎn)工作電壓為3.3 V，因此可以用采集模塊的電源直接為ZigBee模塊供電，無須專門提供獨(dú)立電源；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由于需要接收和處理多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，工作能耗更大，為了保證協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文專門設(shè)計(jì)了獨(dú)立電源。使用12 V鋰電池供電，同時(shí)在電源與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間設(shè)計(jì)了一個(gè)以LM7805芯片為核心的調(diào)壓電路，將外接的12 V電壓降低為5 V電壓，為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)供電[3]。

3" 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1" 采集轉(zhuǎn)換單元程序設(shè)計(jì)

本文基于CCS3.3開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集模塊的程序設(shè)計(jì)，該平臺(tái)兼容C語言和C++語言，支持在線編程與調(diào)試，并且編程結(jié)果可視化，降低了開發(fā)難度。采集模塊程序包含主程序以及A/D采集轉(zhuǎn)換程序、SD卡程序等，這里重點(diǎn)介紹A/D采集轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集模塊上電運(yùn)行后，同步啟動(dòng)A/D采集轉(zhuǎn)換程序。首先進(jìn)行A/D初始化，之后進(jìn)入低功耗的待機(jī)狀態(tài)。該狀態(tài)下執(zhí)行循環(huán)判斷語句“是否觸發(fā)中斷？”，如果未觸發(fā)，中斷標(biāo)志位為“1”，繼續(xù)等待；在成功觸發(fā)中斷后，中斷標(biāo)志位為“0”，A/D轉(zhuǎn)換采集單元開始工作，接收并處理前端傳感器采集到的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。完成處理后將數(shù)據(jù)存入SD卡中，同時(shí)每觸發(fā)一次中斷代表成功采集一個(gè)數(shù)據(jù)，記錄1次轉(zhuǎn)換次數(shù)。數(shù)據(jù)保存后再執(zhí)行一個(gè)循環(huán)判斷語句“轉(zhuǎn)換次數(shù)是否等于1024？”，如果判斷為“否”，表示未達(dá)到數(shù)據(jù)包的容量上限，取消中斷標(biāo)志位并重復(fù)上述程序繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，直到判斷為“是”，表示達(dá)到數(shù)據(jù)包的容量上限，可以將數(shù)據(jù)包發(fā)送至ZigBee無線模塊的終端節(jié)點(diǎn)。

3.2" ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

影響ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)性能的因素主要有2個(gè)：其一是開發(fā)環(huán)境，其二是協(xié)議棧。開發(fā)環(huán)境方面，本文選擇了TI公司推出的IAR8051軟件作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件的開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)為用戶提供嵌入式開發(fā)環(huán)境，并且兼容C/C++編譯器和調(diào)試器等常用的開發(fā)工具，具有操作簡便、開發(fā)效率高等優(yōu)勢。協(xié)議棧方面，使用ZStack協(xié)議棧，與CC2530-F256型芯片良好兼容[4]。支持用戶通過專用APP進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，簡化了軟件設(shè)計(jì)流程，IAR軟件界面及ZStack協(xié)議棧的架構(gòu)如圖5所示。

3.3" 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在滿足基本功能的基礎(chǔ)上只設(shè)置了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)2種角色，這里以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為例介紹軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了組建無線網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址、接收終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上傳至上位機(jī)的功能，其運(yùn)行流程如圖6所示。

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)并同步運(yùn)行程序。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化（計(jì)時(shí)器清零、I/O參數(shù)變?yōu)槟J(rèn)值）、協(xié)議棧初始化，并自動(dòng)開啟全局中斷。此時(shí)協(xié)調(diào)器嘗試新建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行一個(gè)循環(huán)判斷語句“網(wǎng)絡(luò)是否成功建立？”，如果判斷結(jié)果為“否”，則再次嘗試建立網(wǎng)絡(luò)，直到網(wǎng)絡(luò)成功建立[5]。此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指示燈變?yōu)榫G色常亮狀態(tài)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)準(zhǔn)備接收來自終端節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的信息。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到來自ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)之外的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的入網(wǎng)申請后，允許其接入網(wǎng)絡(luò)并分配16位網(wǎng)絡(luò)短地址；當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到來自上位機(jī)的指令后，首先要進(jìn)行指令驗(yàn)證，在確定指令有效后將其向下發(fā)送至終端節(jié)點(diǎn)；當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到來自終端節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)，首先要解析數(shù)據(jù)然后再將其通過RS232串口上傳至上位機(jī)，最終結(jié)果在上位機(jī)顯示屏上呈現(xiàn)，方便工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)械設(shè)備狀態(tài)。

4" 結(jié)束語

面向機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由于需要準(zhǔn)確采集并實(shí)時(shí)傳輸海量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此對(duì)于傳輸方式的選擇和傳輸性能的要求極為嚴(yán)格。相比于常規(guī)的有線通信，ZigBee短距離無線通信包含的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更多，可以與機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的信息傳輸，同時(shí)其還具有功耗低、延遲短、價(jià)格低等諸多優(yōu)勢，進(jìn)一步提升機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的使用效果。

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