摘  要： 結合ZigBee無線通信技術，提出一種應用于起重機監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)架構。該方案網(wǎng)絡節(jié)點硬件電路以MC9SDG128為控制器、CC2530為射頻收發(fā)器，詳細規(guī)劃了網(wǎng)絡中節(jié)點硬件和軟件設計，并介紹上位監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、易擴展、安全性高等特點，能實時監(jiān)控起重機的運行狀況，可廣泛應用于起重機監(jiān)控系統(tǒng)。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee節(jié)點；無線通信；起重機監(jiān)控

    隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和自動化程度的提高，起重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)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(jiān)控器，通過監(jiān)控起重機運行的基本參數(shù)，就可以獲悉當前起重機運行狀況、剩余使用次數(shù)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(fā)生。設計一套先進的、方便使用的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對于實現(xiàn)生產(chǎn)生活的安全、提高監(jiān)控質量、實現(xiàn)科學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)絡只能沿著固定的線路傳輸數(shù)據(jù),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(wǎng)絡的監(jiān)控方案，較之傳統(tǒng)的方案有很大的改進。所謂無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通過無線通信的方式進行傳輸[1-3]。
1 系統(tǒng)總體方案
    基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的起重機監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點（終端節(jié)點）、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和本地監(jiān)控中心構成，該網(wǎng)絡能覆蓋整個工廠所有的監(jiān)控單元，構成一個嚴密的、全方位的、立體的監(jiān)控體系。其系統(tǒng)總體結構如圖1所示。系統(tǒng)中各監(jiān)控節(jié)點采集各種信號參數(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)點是信息的中繼站，負責將距離協(xié)調(diào)器較遠的終端節(jié)點的信號傳遞給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責監(jiān)控網(wǎng)絡的建立、管理和維護，如為新加入的設備分配網(wǎng)絡地址、節(jié)點的加入和離開等，協(xié)調(diào)器也是所有節(jié)點信息的匯聚點，負責將收到的信息通過串口向局域監(jiān)控站的PC機發(fā)送，在PC機上就可以通過監(jiān)控軟件實現(xiàn)對終端節(jié)點的實時查詢。

2 硬件設計
2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點電路
    協(xié)調(diào)器節(jié)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(xiàn)程序運行的基本環(huán)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)核以及應用程序。本文采用256 MB的K9F2G08 Nand Flash存儲器。
    同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)功能：使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡化設計、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)運行時，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備交互，所以SDRAM的速度對于整個系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)實時采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)。
    CC2530模塊功能：與終端設備無線通信，負責數(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方式實現(xiàn)，處理器S3C2440充當SPI主器件，CC2530收發(fā)器充當從器件。
2.2 路由器節(jié)點電路
    路由器節(jié)點直接采用ZigBee射頻芯片CC2530，其內(nèi)部有2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機、適應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(xié)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(tǒng)。微處理器全速工作時，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)點電路
    無線傳感器終端節(jié)點由數(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)點硬件結構框圖如圖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成，傳感器單元對工廠監(jiān)控環(huán)境內(nèi)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(diào)理單元電路將采集到的信號進行調(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(jīng)過一定的函數(shù)關系換算出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(jīng)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(jiān)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(jiān)測，剎車裝置保證起重機停止時吊鉤位置的穩(wěn)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(tài)下的滑鉤（起重機停止狀態(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(jiān)控數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成與路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點的交互工作。
3 系統(tǒng)軟件設計
    軟件設計包括三種類型節(jié)點的設計，同時為使操作人員能夠直觀地在PC主機上監(jiān)測各起重機的運行狀況，在PC機上設計了整個系統(tǒng)的上位機監(jiān)控程序。
    終端節(jié)點、路由和協(xié)調(diào)器節(jié)點都是基于ZigBee協(xié)議棧進行設計的。ZigBee協(xié)議棧的整體構架如圖4所示[5-6]。其中，系統(tǒng)的功能主要在應用層中實現(xiàn)。不同類型節(jié)點的應用層中，軟件的內(nèi)容也不一樣。對于終端節(jié)點來說，在應用層中主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；在路由節(jié)點的應用層中，主要實現(xiàn)接收來自其他節(jié)點的信息，然后尋找最優(yōu)路徑進行傳遞，協(xié)調(diào)器節(jié)點的應用層中實現(xiàn)包括網(wǎng)絡的組建、對加入網(wǎng)絡的節(jié)點網(wǎng)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(fā)的形式來實現(xiàn)，根據(jù)功能的要求在適當?shù)奈恢谜{(diào)用事件觸發(fā)函數(shù)，實現(xiàn)相應的功能。網(wǎng)絡層負責拓撲結構的建立和維護網(wǎng)絡連接，主要包括設備連接和斷開網(wǎng)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(fā)現(xiàn)、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(chǎn)生網(wǎng)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(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)來實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的協(xié)作。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計
    （1）建立嵌入式開發(fā)平臺，根據(jù)自己設計的硬件平臺制作U-boot引導程序以及文件系統(tǒng)，定制和裁剪Linux內(nèi)核，移植到設計好的嵌入式手持設備中（這里使用操作系統(tǒng)Linux-2.6.32）；
    （2）開發(fā)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(xiàn)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(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責數(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。該節(jié)點軟件設計流程圖如圖5所示。

3.2 路由節(jié)點軟件設計
    工廠中某些監(jiān)控單元距離監(jiān)控室較遠時，傳感器節(jié)點就可能無法將采集到的信號傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，此時就需要路由來實現(xiàn)。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(jīng)過它的每個數(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。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(shù)據(jù)通過RS232從協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送到PC機上，上位機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)以下幾種功能：
    （1）實時顯示。監(jiān)控系統(tǒng)把當前時刻起重機終端節(jié)點發(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)可以對歷史記錄進行查詢與分類排序。
    （3）安全保障。當某節(jié)點采集的數(shù)據(jù)異常時，該節(jié)點的記錄呈紅色并報警，該終端節(jié)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(wǎng)絡的起重機監(jiān)控系統(tǒng)中的起重機監(jiān)控單元、ZigBee無線通信模塊和PC機實現(xiàn)了整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實時采集、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強度、提高了企業(yè)的經(jīng)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(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用前景。
參考文獻
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