徐瑞芬

摘 要：文章介紹了一種基于CC2530的龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)研制，該系統(tǒng)采用CC2530為核心處理單元，以協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)和各電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測結(jié)點(diǎn)組成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集龍門起重機(jī)不同部件的多點(diǎn)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過閾值時(shí)第一時(shí)間向用戶發(fā)送警報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)龍門起重機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

關(guān)鍵詞：CC2530;龍門起重機(jī);監(jiān)測系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

0 引言

“物聯(lián)網(wǎng)”是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，最初是在1999年由美國麻省理工學(xué)院提出的，是在互聯(lián)網(wǎng)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)主要解決物體與物體、人與物體、人與人之間的互聯(lián)，通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，按照約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了物體與物體、物體與人通過網(wǎng)絡(luò)相連接，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、智能識別、高效監(jiān)管等功能。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工業(yè)領(lǐng)域中的龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研制，以CC2530芯片為控制芯片，實(shí)時(shí)采集龍門起重機(jī)設(shè)備不同部件的受力情況，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量;通過ZigBee技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信，解決了受力測量中多點(diǎn)分布的問題，并由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對龍門起重機(jī)受力的集中監(jiān)視與管理。

1? ? 龍門起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀

龍門起重機(jī)使用頻率高、起重量大，確保其安全可靠尤為重要。近年來龍門起重機(jī)事故多發(fā)基本上都與限載器不能正常工作有關(guān)。起重機(jī)行業(yè)一旦出現(xiàn)事故，作為生產(chǎn)售后服務(wù)保障部門并不能快速準(zhǔn)確地得到故障信息，坐等用戶上報(bào)，再派員查看調(diào)查后才能提供維修服務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)起重機(jī)不同部件應(yīng)力的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視與管理。如何能運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，快速得到起重機(jī)的工作狀況，及時(shí)為用戶提供服務(wù)，在當(dāng)前的信息化時(shí)代也成為一個(gè)迫切需要解決的問題。因此研制一種龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對龍門起重機(jī)應(yīng)力的實(shí)時(shí)測量與控制運(yùn)算，實(shí)時(shí)排查危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)，并提供顯示信號與控制信號，正好可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)受力的實(shí)時(shí)采集、集中監(jiān)視與管理。

2? ? 龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)的組成

基于CC2530的龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，主要包括數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)（傳感結(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)）、上位機(jī)、應(yīng)用平臺（Web服務(wù)器、智能手機(jī)）等[2]。

圖1中協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)通過ZigBee技術(shù)，以自己為中心與各傳感結(jié)點(diǎn)建立一個(gè)星形數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，采集網(wǎng)絡(luò)中傳感結(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集龍門起重機(jī)不同部件的多點(diǎn)應(yīng)力信號，通過ZigBee技術(shù)將信號發(fā)送給協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的上位機(jī)作為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和Web服務(wù)器的連接紐帶，一方面上位機(jī)通過串口與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)相連，負(fù)責(zé)處理協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)發(fā)來的應(yīng)力數(shù)據(jù)。另一方面通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器，以便用戶實(shí)時(shí)查看，當(dāng)龍門起重機(jī)的應(yīng)力超過閾值時(shí)，上位機(jī)會向用戶的手機(jī)第一時(shí)間發(fā)送警報(bào)信息。

2.1? CC2530芯片模塊

本系統(tǒng)選擇CC2530芯片模塊。CC2530 相當(dāng)于一個(gè)完全集成的、高性能的RF收發(fā)器的8051微處理器，8KB的RAM，32/64/128/256KB閃存，以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。CC2530提供了101DB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，4種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設(shè)集—包括2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用的GPIO。優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)8051MCU內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信。CC2530可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、智能家居、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。

2.2? 電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測結(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)采用的是電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測結(jié)點(diǎn)。為了提高監(jiān)測敏感性，將電阻應(yīng)變片粘貼到彈性體上，再將彈性體安裝到龍門起重機(jī)不同部件上。在應(yīng)力的作用下，電阻應(yīng)變片會發(fā)生彈性變形。隨著電阻應(yīng)變片發(fā)生變形，其對應(yīng)的阻值發(fā)生變化，或增大或減小，再把這一電阻變化經(jīng)相應(yīng)的測量電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過ADC 將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字，就完成了由應(yīng)力引起的電阻應(yīng)變片的變形，再由電阻應(yīng)變片的變形轉(zhuǎn)為電阻值的變化，再轉(zhuǎn)為相應(yīng)的龍門起重機(jī)應(yīng)力數(shù)據(jù)的過程。當(dāng)應(yīng)力超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)通過報(bào)警模塊第一時(shí)間向用戶發(fā)送報(bào)警信號。從應(yīng)變片到形變量數(shù)字化再到數(shù)據(jù)處理，形成了一個(gè)應(yīng)變傳感監(jiān)測結(jié)點(diǎn)，可以分布在龍門起重機(jī)的不同部件[3]。

2.3? 協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)

一個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的管理組織者，功能是作為一個(gè)中心結(jié)點(diǎn)去收集、管理整個(gè)系統(tǒng)的信息。本系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)以自己為中心加入各電阻式應(yīng)變傳感結(jié)點(diǎn)的星形數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，該星形數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee協(xié)議，它在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)采用的是數(shù)據(jù)幀形式;協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)接收到傳感結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后，進(jìn)行拆分，從中讀取龍門起重機(jī)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的串口協(xié)議，發(fā)送給上位機(jī)。

2.4? 上位機(jī)

上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著管理、控制、維護(hù)和用戶界面操作的重任，它與協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)連接。

本系統(tǒng)分布了多個(gè)傳感結(jié)點(diǎn)，上位機(jī)根據(jù)多個(gè)傳感結(jié)點(diǎn)采集的龍門起重機(jī)應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算平均值，以此提高系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息的準(zhǔn)確度。當(dāng)平均值低于設(shè)定的閾值，上位機(jī)會將正常的數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器，用戶可以實(shí)時(shí)查看。相反，如果平均值高于設(shè)定的閾值，上位機(jī)在給Web服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過移動通信模塊第一時(shí)間向用戶發(fā)出警報(bào)[4]。

3? ? 龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1? ?ZigBee技術(shù)

本系統(tǒng)采用ZigBee 技術(shù)將數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)，在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和分析。

ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術(shù)和藍(lán)牙主機(jī)的技術(shù)，它是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。ZigBee的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式。ZigBee主要應(yīng)用在短距離并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。ZigBee具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌葱切尉W(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)的3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢。由于ZigBee技術(shù)具有成本低、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，可以嵌入各種設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。其應(yīng)用的領(lǐng)域有PC外設(shè)、消費(fèi)類電子設(shè)備、家庭內(nèi)智能控制、玩具、工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等非常廣闊的領(lǐng)域。

3.2? 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)主要功能是采集、獲取相關(guān)信息。它是運(yùn)用傳感器等數(shù)據(jù)采集模塊從被測設(shè)備上采集讀取相應(yīng)的信息，并作保存。采集的信息作為后面使用、分析、處理。本文所研制的龍門起重機(jī)應(yīng)力點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)是以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心，由多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)所組成的，可以準(zhǔn)確采集龍門起重機(jī)不同部件多點(diǎn)應(yīng)力，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測性維護(hù)。

4? ? ?結(jié)語

本文研制了一種基于CC2530中ZigBee協(xié)議的龍門起重機(jī)應(yīng)力多點(diǎn)巡回監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測龍門起重機(jī)的應(yīng)力載荷。系統(tǒng)采用以協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)為中心，加入多個(gè)電阻式應(yīng)變傳感監(jiān)測結(jié)點(diǎn)組成龍門起重機(jī)應(yīng)力載荷的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行處理。上位機(jī)在龍門起重機(jī)應(yīng)力載荷數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器的同時(shí)，可以在應(yīng)力載荷超過閾值時(shí)通過移動通信模塊直接向用戶發(fā)送警報(bào)。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試和實(shí)踐驗(yàn)證，該龍門起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對龍門起重機(jī)應(yīng)力的實(shí)時(shí)測量與控制運(yùn)算，實(shí)時(shí)排查危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)，并提供顯示信號與控制信號，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、高效的監(jiān)管。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]蔣耘晨，劉秋麗，楊明.基于ZigBee 技術(shù)的天然氣聯(lián)合站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù)，2007（1）：56-58.

[3]郭二輝.一種電阻式應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)處理方法[J].智能處理與應(yīng)用，2019（9）：82-83.

（編輯 王雪芬）