基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在線監(jiān)管系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

楊槐 王小平 蔡川

摘要：針對(duì)大型企業(yè)生產(chǎn)線的每個(gè)機(jī)械設(shè)備都會(huì)出現(xiàn)疲勞或者損壞而監(jiān)管難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便采集機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)（包括振動(dòng)參量、溫度、濕度參量），從而及早發(fā)現(xiàn)并替換存在隱患的機(jī)械設(shè)備。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；復(fù)雜機(jī)械設(shè)備；在線監(jiān)測(cè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)20-5000-03

隨著我國成為世界制造中心，尤其是對(duì)重工業(yè)城市重慶來說，加工制造企業(yè)大量內(nèi)遷，各種企業(yè)保有大量機(jī)械設(shè)備，日常診斷和維護(hù)是一件非常繁重的任務(wù)。按照一個(gè)中型企業(yè)具有100臺(tái)需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備計(jì)算，監(jiān)測(cè)每臺(tái)設(shè)備需要5-10個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，那么，完成對(duì)該企業(yè)設(shè)備的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要節(jié)點(diǎn)500-1000個(gè)。如果每個(gè)企業(yè)都采用這種方式的話，其市場(chǎng)容量將會(huì)是一個(gè)天文數(shù)字。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為一種新興技術(shù)，整合傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，給解決機(jī)械設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)上的支撐。

1設(shè)備在線監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、指標(biāo)及原理

設(shè)備在線監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是:采用zigbee協(xié)議構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚信息，并通過串口傳輸?shù)角度胧狡脚_(tái)，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)通過傳感器Sensor采集相關(guān)信息（包括溫度、濕度、加速度），進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的MCU，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對(duì)所收到的各終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，封裝成一定的數(shù)據(jù)格式（后面有介紹），通過串行端口傳遞到嵌入式網(wǎng)關(guān)。

嵌入式網(wǎng)關(guān)從協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的串口讀取數(shù)據(jù)，對(duì)自定義協(xié)議進(jìn)行解碼，并在該嵌入式網(wǎng)關(guān)中構(gòu)建TCP服務(wù)器及WEB服務(wù)器，對(duì)收到的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議格式進(jìn)行封裝，并等待各終端節(jié)點(diǎn)的連接，嵌入式網(wǎng)關(guān)完成的功能相當(dāng)于一個(gè)簡單的物聯(lián)網(wǎng)中間件。

在終端上通過TCP連接網(wǎng)關(guān)，接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和展示，并完成相關(guān)信息的告警及控制。

2傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)工作原理

2.1.1節(jié)點(diǎn)MCU選擇

對(duì)于機(jī)械振動(dòng)的測(cè)試，需要把傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在機(jī)械設(shè)備上，這就要求節(jié)點(diǎn)具有較小的體積和可靠的性能。

考慮到本設(shè)計(jì)需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，因此，考慮使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器偏大的微控制芯片。其次，本系統(tǒng)需要對(duì)多組模擬量進(jìn)行采集分析，考慮到構(gòu)造最小系統(tǒng)的條件約束，同時(shí)為了簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此在微控制芯片選擇時(shí)，需要考慮一個(gè)具有內(nèi)部集成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的MCU。綜合以上因素，我們選擇了Texas Instruments公司的CC2530F256作為MCU。CC2530功能模塊見圖3所示。CC2530基于MEMS制造技術(shù)，把微處理器（內(nèi)部集成增強(qiáng)型8051核），存儲(chǔ)器和射頻前端芯片整合在一起，那么制作出來的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)體積小，安裝在待測(cè)設(shè)備的不同部位，能夠?qū)崟r(shí)體現(xiàn)該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能反應(yīng)設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀況。具有超大容量RAM和超大容量程序存儲(chǔ)器，同時(shí)具有12位高精度和高速A/D轉(zhuǎn)換，滿足本設(shè)計(jì)對(duì)微處理器的要求，而且，其大容量的存儲(chǔ)器為本設(shè)計(jì)升級(jí)和增加功能、使用性質(zhì)改變提供了足夠空間，避免系統(tǒng)升級(jí)后造成主控芯片更換而帶來的硬件浪費(fèi)和不必要放入軟件開發(fā)費(fèi)用，這樣的選擇符合資源冗余原則。

圖3 CC2530功能框圖

2.1.2振動(dòng)傳感器選擇

目前市場(chǎng)上的加速度傳感器有單軸、雙軸和三軸加速度傳感器三種，因?yàn)閷?duì)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)應(yīng)該檢測(cè)空間上不同方向上的及速度，才能準(zhǔn)確反映出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，因此考慮三軸加速度傳感器。美國模擬器件公司(ADI)的ADXL345ACCZ加速度傳感器正是基于IMEMS技術(shù)，具有經(jīng)過認(rèn)證的質(zhì)量和可靠性。比同類器件的功耗典型值低50%，待機(jī)電流0.2uA，工作電流23uA是同類器件中功耗最低的產(chǎn)品。ADXL345ACCZ是一種帶有信號(hào)調(diào)理電路提供數(shù)字電壓輸出(I2C輸出)的小量程、小外形、低功耗的3軸加速度計(jì)。

2.1.3溫度濕度模塊的選擇

2.1.4傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成框圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成如圖4所示。

各傳感器通過I2C總線連接到MCU，由于CC2530MCU沒有I2C硬件接口，所以在實(shí)現(xiàn)的過程中，通過P1_0和P1_1模擬I2C總線，完成對(duì)傳感數(shù)據(jù)的采集。

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)總體硬件框架

其總體硬件框架如圖5所示。

節(jié)點(diǎn)硬件分成三個(gè)模塊，電源板、MCU板（即CC2530板）以及傳感器板。其中電源板完成DC-DC變換，為傳感器板和CC2530板提供3.3V、5V兩種電壓，同時(shí)也完成傳感器節(jié)點(diǎn)電源管理功能。MCU板完成數(shù)據(jù)處理、MAC協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的加載和運(yùn)行，并驅(qū)動(dòng)射頻收發(fā)模塊進(jìn)行無線通信。傳感器板完成傳感器數(shù)據(jù)的采集。

3傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1傳感器節(jié)點(diǎn)軟件

采用TI的Z-STACK協(xié)議棧。該協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4以及ZigBee協(xié)議。開發(fā)工具為IAR EW8051 7.51A。

3.2 Z-STACK協(xié)議棧

Z-STACK協(xié)議棧大概按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層。

APP（Application Programming）：應(yīng)用層目錄，這是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域，在這個(gè)目錄中包含了應(yīng)用層的內(nèi)容和這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容，在協(xié)議棧里面一般是以操作系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。

HAL（Hardware (H/W)Abstraction Layer）：硬件層目錄，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。

MAC：MAC層目錄，包含了MAC層的參數(shù)配置文件及其MAC的LIB庫的函數(shù)接口文件。

MT（Monitor Test）：實(shí)現(xiàn)通過串口可控各層，于各層進(jìn)行直接交互。

NWK（ZigBee Network Layer）：網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫的函數(shù)接口文件，APS層庫的函數(shù)接口

OSAL（Operating System (OS) Abstraction Layer）：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。

Profile：AF（Application work）層目錄，包含AF層處理函數(shù)文件。

Security：安全層目錄，安全層處理函數(shù)，比如加密函數(shù)等。

Services：地址處理函數(shù)目錄，包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)。

Tools：工程配置目錄，包括空間劃分及ZStack相關(guān)配置信息。

ZDO（ZigBee Device Objects）：ZDO目錄。

ZMac：MAC層目錄，包括MAC層參數(shù)配置及MAC層LIB庫函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。

ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件。

Output：輸出文件目錄，這個(gè)EW8051 IDE自動(dòng)生成的。

3.2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)

通常情況下，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是有屬于自己制定的配置參數(shù)，因此能更好的確定其設(shè)備的各種類型，同樣的在網(wǎng)絡(luò)中也會(huì)有著不一樣的任務(wù)。一般的，在屬于多跳網(wǎng)絡(luò)的ZB網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要完成數(shù)據(jù)傳輸，可能需要經(jīng)過其他中間節(jié)點(diǎn)的協(xié)助，所以節(jié)點(diǎn)的類型參數(shù)配置是非常必要的。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)任務(wù)：

1）執(zhí)行指定的網(wǎng)絡(luò)功能函數(shù)

2）配置確定的參數(shù)到指定的值。

網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)置確定了該節(jié)點(diǎn)的類型，參數(shù)配置和指定的值確定了堆棧的模式。節(jié)點(diǎn)類型在ZigBee中，設(shè)備類型分為三類：協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。其中，協(xié)調(diào)器為黑色的節(jié)點(diǎn)。路由器為紅色的節(jié)點(diǎn)，終端設(shè)備為白色的節(jié)點(diǎn)。

在ZB網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器就是作為網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)開始的設(shè)備，也可以說成是一個(gè)ZB網(wǎng)路的建立或者是啟動(dòng)網(wǎng)路的設(shè)備。通常情況下，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)若要開始建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，首先必須要選擇一個(gè)信道以及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符號(hào)（同時(shí)這也被叫做PAN ID）。除此之外，在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器設(shè)備還有其他的用途，比如網(wǎng)絡(luò)中的綁定的構(gòu)建以及安全機(jī)制的構(gòu)建等。

注意事項(xiàng)：在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的主要是功能主要是構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和配置的性質(zhì)參數(shù)。如若這些配置和參數(shù)一旦構(gòu)建完成的話，那么協(xié)調(diào)器就只能是如同一個(gè)路由器了，在網(wǎng)絡(luò)中的其他操作都是不依賴于這個(gè)協(xié)調(diào)器的，造成這樣是因?yàn)閆igBee是屬于一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)。

通常情況下，路由器的主要功能分為三種：a.路由器作為一種很普通的設(shè)備被加入進(jìn)網(wǎng)路中；b.多跳路由；c.路由器被作為一種輔助性的設(shè)備，幫助其他的子節(jié)點(diǎn)來完成通信。照常理來講，路由器必須是要處于工作狀態(tài)的，因此這就要求主干線對(duì)其進(jìn)行供電（注意此類的供電與平常的電池供電是不一樣的）。不過，在某些指定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中是可以采用日常電池供電，比如：我們生活中所見的“串樹型”的網(wǎng)絡(luò)模式中，由于該模式中是允許路由器進(jìn)行周期性的運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此可以使用電池進(jìn)行供電的。

為了更好的維持網(wǎng)絡(luò)中最基本的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)終端設(shè)備是沒有進(jìn)行指定的責(zé)任。即在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備是沒有比不缺少的性質(zhì)。因此，終端設(shè)備是可以根據(jù)自己的功能需要進(jìn)行喚醒或者是睡眠狀態(tài)；所以也為電池供電設(shè)備。通常情況下，終端設(shè)別的內(nèi)存都是比較少的。

3.2.2添加自己的代碼

由于采用CC2530的評(píng)估版，根據(jù)其例程，主要在App中添加自己的任務(wù)。

4結(jié)論

該傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成功完成對(duì)溫度、濕度數(shù)據(jù)等參數(shù)的正常采集。各傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以ZigBee協(xié)議方式構(gòu)成AdHoc網(wǎng)絡(luò)，通信正常。另外為了展示實(shí)時(shí)曲線繪制，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在博創(chuàng)平臺(tái)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線展示，并可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。