摘 要： 結合ZigBee無線通信技術，提出一種應用于起重機監控的無線傳感網絡系統架構。該方案網絡節點硬件電路以MC9SDG128為控制器、CC2530為射頻收發器，詳細規劃了網絡中節點硬件和軟件設計，并介紹上位監控系統。該系統具有低成本、低功耗、易擴展、安全性高等特點，能實時監控起重機的運行狀況，可廣泛應用于起重機監控系統。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；ZigBee節點；無線通信；起重機監控
隨著現代科學技術的迅速發展、工業生產規模的擴大和自動化程度的提高，起重機在現代化生產過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高。由于起重機屬于特殊設備，機器的老化和磨損對操作的安全性影響較大。目前，越來越多的起重機上配備有專用監控器，通過監控起重機運行的基本參數，就可以獲悉當前起重機運行狀況、剩余使用次數等信息，以利于操作人員及時地進行部件檢修和維護，從而有效地防止事故發生。設計一套先進的、方便使用的遠程監控系統，對于實現生產生活的安全、提高監控質量、實現科學有效的管理都具有十分重要的意義。但是，傳統的有線監控網絡只能沿著固定的線路傳輸數據,傳輸介質的架設不可避免地具有破壞建筑，存在檢修困難、擴展困難、安裝維護費用高的弊端。為此，本文設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的監控方案，較之傳統的方案有很大的改進。所謂無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，數據通過無線通信的方式進行傳輸[1-3]。
1 系統總體方案
基于ZigBee無線傳感器網絡的起重機監控系統由現場監控節點（終端節點）、路由節點、協調器節點和本地監控中心構成，該網絡能覆蓋整個工廠所有的監控單元，構成一個嚴密的、全方位的、立體的監控體系。其系統總體結構如圖1所示。系統中各監控節點采集各種信號參數，并且將數據通過射頻發送器發送出去。路由節點是信息的中繼站，負責將距離協調器較遠的終端節點的信號傳遞給協調器。網絡協調器負責監控網絡的建立、管理和維護，如為新加入的設備分配網絡地址、節點的加入和離開等，協調器也是所有節點信息的匯聚點，負責將收到的信息通過串口向局域監控站的PC機發送，在PC機上就可以通過監控軟件實現對終端節點的實時查詢。
2 硬件設計
2.1 協調器節點電路
協調器節點電路選用ARM 9系列的S3C2440微處理器為核心，加以相應的外部擴展，實現程序運行的基本環境。外部擴展由幾部分組成：(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所示為系統硬件結構圖。
Nand Flash存儲器功能：存放用戶編寫的啟動程序、操作系統內核以及應用程序。本文采用256 MB的K9F2G08 Nand Flash存儲器。
同步動態隨機存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)功能：使用SDRAM不但能提高系統表現，還能簡化設計、提供高速的數據傳輸。在系統運行時，所有的程序和數據大部分是在SDRAM中與微處理器和外圍設備交互，所以SDRAM的速度對于整個系統的運行速度有著至關重要的影響。本文采用1片HY57V561620芯片作為外擴SDRAM。
SD卡存儲器功能：保存監控系統實時采集的監控數據。
CC2530模塊功能：與終端設備無線通信，負責數據的無線收發。這里嵌入式處理器S3C2440 與ZigBee通信模塊CC2530的通信方式通過SPI方式實現，處理器S3C2440充當SPI主器件，CC2530收發器充當從器件。
2.2 路由器節點電路
路由器節點直接采用ZigBee射頻芯片CC2530，其內部有2.4 GHz的RF無線電收發機、適應2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收發器，內存和微控制器。它使用一個高性能和低功耗的8 bit MCU(8051)，具有最大256 KB的可編程閃存和8 KB的RAM，同時包含有12 bit ADC、21個通用I/O、2個UART、4個定時器、AES加密協處理器等。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。微處理器全速工作時，在接收模式下電流損耗約為24 mA，發射模式下電流損耗約為29 mA。
2.3 終端節點電路
無線傳感器終端節點由數據采集模塊、信號調理模塊、數據處理模塊、無線通信模塊組成。節點硬件結構框圖如圖3所示。數據采集模塊主要由重力傳感器、電流傳感器與溫度傳感器構成，傳感器單元對工廠監控環境內溫度進行采集，重力傳感器則將重物的物理量轉換為相應電信號。信號調理單元電路將采集到的信號進行調理后送至數據處理模塊。
主要監控的參量如下：
（1）SWP(Safe Work Period)的測量，SWP摒棄了傳統的僅以時間來衡量起重機工作歷程的方法，它將工作時間與起吊負載結合起來形成一個更加科學的反映起重機工作歷程的參量。應用重力傳感器和變送器將重力信號轉換為電信號送入微處理器的A/D口，微處理器將重力與運行時間經過一定的函數關系換算出SWP值，并通過RS232總線將數據傳給CC2530模塊。
（2）電機溫度的測量，電機溫度過高會損害電機，嚴重時甚至會燒毀電機，造成重大的經濟損失和安全隱患。應用熱敏電阻型溫度傳感器對電機溫度進行實時監測，當微處理器檢測到溫度過高時對起重機進行限速限重的保護措施，保證電機安全。
（3）剎車片磨損情況的監測，剎車裝置保證起重機停止時吊鉤位置的穩定，剎車片在吊鉤的啟停過程中會磨損，當磨損嚴重時會造成吊物懸停狀態下的滑鉤（起重機停止狀態下吊鉤仍然下行），造成重大安全隱患。
數據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128 KB的程序存儲器(Flash EEPROM)、8 KB的RAM和2 KB的EEPROM，有兩個8通道的10 bit A/D轉換器、8個可編程PWM通道，另外有SCI、SPI、I2C、CAN總線等接口[4]。
無線通信模塊CC2530負責監控數據的收發，完成與路由節點、協調器節點的交互工作。
3 系統軟件設計
軟件設計包括三種類型節點的設計，同時為使操作人員能夠直觀地在PC主機上監測各起重機的運行狀況，在PC機上設計了整個系統的上位機監控程序。
終端節點、路由和協調器節點都是基于ZigBee協議棧進行設計的。ZigBee協議棧的整體構架如圖4所示[5-6]。其中，系統的功能主要在應用層中實現。不同類型節點的應用層中，軟件的內容也不一樣。對于終端節點來說，在應用層中主要實現數據的發送；在路由節點的應用層中，主要實現接收來自其他節點的信息，然后尋找最優路徑進行傳遞，協調器節點的應用層中實現包括網絡的組建、對加入網絡的節點網絡地址的分配以及與PC機的通信。應用層中的各個功能采用事件觸發的形式來實現，根據功能的要求在適當的位置調用事件觸發函數，實現相應的功能。網絡層負責拓撲結構的建立和維護網絡連接，主要包括設備連接和斷開網絡時所采用的機制，在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制，以及設備的路由發現、路由維護和轉交。MAC層和物理層都是采用IEEE802.15.4標準，MAC層負責處理所有的物理無線信道訪問，并產生網絡信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之間可靠的鏈路。物理層定義了物理無線信道與MAC子層之間的接口，實現數據傳輸和物理信道的管理。協議的各層之間通過操作系統來實現穩定可靠的協作。
3.1 協調器節點軟件設計
（1）建立嵌入式開發平臺，根據自己設計的硬件平臺制作U-boot引導程序以及文件系統，定制和裁剪Linux內核，移植到設計好的嵌入式手持設備中（這里使用操作系統Linux-2.6.32）；
（2）開發相關硬件的驅動程序，主要包括存儲卡、射頻模塊等相關驅動，實現不同的外設與處理器S3C2440之間的可靠通信。
結合上面設計的嵌入式平臺，設計相關的軟件，協調器節點主要負責數據的綜合處理分析以及采樣命令的發送與采樣信號的接收等，再把處理過的數據通過RS232傳送給PC機。該節點軟件設計流程圖如圖5所示。
3.2 路由節點軟件設計
工廠中某些監控單元距離監控室較遠時，傳感器節點就可能無法將采集到的信號傳送到協調器節點，此時就需要路由來實現。路由的主要功能是為信息的傳遞提供接力作用，擴大信號的傳輸范圍。路由在進行信息傳遞時，會為經過它的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到協調器節點。其工作流程圖如圖6所示。
3.4 上位機軟件
上位機采用NI公司的LabVIEW軟件進行編程，數據通過RS232從協調器節點發送到PC機上，上位機監控系統實現以下幾種功能：
（1）實時顯示。監控系統把當前時刻起重機終端節點發來的數據顯示到屏幕上，并不斷刷新。
（2）歷史查詢。該系統可以對歷史記錄進行查詢與分類排序。
（3）安全保障。當某節點采集的數據異常時，該節點的記錄呈紅色并報警，該終端節點也同時報警，人為復位方能消除，確保人和設備的安全。
本文設計的基于ZigBee無線傳感器網絡的起重機監控系統中的起重機監控單元、ZigBee無線通信模塊和PC機實現了整個系統中數據的實時采集、可靠傳輸、顯示與存儲，完全能滿足工業現場監控的要求。不僅解決了工業現場由于環境復雜而造成的布線不便問題、節約了成本，而且減少了工人的勞動強度、提高了企業的經濟效益，更重要的是能保證工人和起重機設備的安全。較傳統的一些監控方法有很大的優勢，這也必將有很廣闊的應用前景。
參考文獻
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