基于ZigBee技術的機械零件檢測系統(tǒng)設計

王云良宋先斌

(1.常州機電職業(yè)技術學院 2.常州信息職業(yè)技術學院 江蘇常州 213164)

基于ZigBee技術的機械零件檢測系統(tǒng)設計

王云良1宋先斌2

(1.常州機電職業(yè)技術學院 2.常州信息職業(yè)技術學院 江蘇常州 213164)

針對機械零件質(zhì)量人工檢測工作量大、效率低等現(xiàn)狀，設計零件在線自動檢測系統(tǒng)，通過影像傳感器、霍爾傳感器等進行零件數(shù)據(jù)采集，利用ZigBee協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，再通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器，經(jīng)過與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的比對與分析，將零件是否合格的信息寫入到RFID標簽中，最終由分揀機構(gòu)實現(xiàn)對零件的分離，達到零件質(zhì)量自動檢測的效果。

質(zhì)量檢測分揀系統(tǒng);ZigBee技術;傳感器

0 引言

機械零部件加工已經(jīng)實現(xiàn)了機械化、自動化，而機械零部件的質(zhì)量檢測，主要依靠人工來完成［1］，通常有目視檢查法、儀器測量法等［2］，在檢測過程中人為因素大、檢測工作量大，為了避免檢測工作成為生產(chǎn)的瓶頸，本文設計了一套機械零部件質(zhì)量檢測分揀系統(tǒng)，通過傳感器獲取機械零部件各類參數(shù)，通過ZigBee協(xié)議傳送數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，通過與標準件參數(shù)的比對，實現(xiàn)機械零部件的自動檢測，利用分揀裝置最終實現(xiàn)合格產(chǎn)品與不合格產(chǎn)品的分離。

1 系統(tǒng)總體設計及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

被檢測的機械零部件進入檢測工序時，通過掃描槍獲取零件的ID，并記錄到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中查詢出該零件的名稱、產(chǎn)品類型以及各類參數(shù)的標準。在檢測過程中，零件要經(jīng)過圖像采集、霍爾傳感器檢測、超聲波傳感器檢測和紅外傳感器檢測等區(qū)域，當產(chǎn)品經(jīng)過傳感器區(qū)域時，傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過擴展通訊模塊節(jié)點，利用ZigBee網(wǎng)絡傳輸至簇頭節(jié)點，再傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi、3G等網(wǎng)絡發(fā)送至服務器，通過把采集到的數(shù)據(jù)和該零件的標準數(shù)據(jù)進行分析比較，判斷該零件是否合格，并將相關信息寫入該零件的RFID標簽中，當產(chǎn)品經(jīng)過分揀機構(gòu)時，系統(tǒng)會從服務器中查詢到該產(chǎn)品的檢測結(jié)果，并利用分揀機構(gòu)的汽缸對不良品進行分類處理，從而實現(xiàn)對機械零部件檢測的自動處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡組建

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在構(gòu)建機械零部件質(zhì)量檢測分揀系統(tǒng)時，應該考慮多方面的技術要求，如拓撲控制、通信機制、節(jié)點部署、能量管理等。在無線傳感器網(wǎng)絡中，至少需要一個全功能設備作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，完成網(wǎng)絡的啟動和分配其他設備角色與之通信，傳感節(jié)點可以是精簡功能設備，加入網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器已組建好的網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)的采集工作，其實現(xiàn)較為簡單，可以降低系統(tǒng)的成本。

ZigBee網(wǎng)絡層支持三種類型的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，即星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(Star)、簇樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(Cluster-Tree)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(Mesh)。

考慮到本系統(tǒng)的復雜程度，采用簇樹狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，節(jié)點可以采用Cluster-Tree路由協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。簇樹狀網(wǎng)絡中，終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對數(shù)據(jù)做簡單的處理后，發(fā)送至協(xié)調(diào)器，這些子網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器又與上一級的子網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器或直接與主網(wǎng)絡的ZigBee協(xié)調(diào)器進行通信。簇樹狀網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以延伸至復雜的結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)絡信息的實時性也會變差，但它的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡覆蓋范圍非常大，并且路由算法也比Mesh網(wǎng)絡簡單。ZigBee簇樹狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖2 簇樹狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

當協(xié)調(diào)器啟動配置一個新的網(wǎng)絡時，它會給自己配置一個網(wǎng)絡地址0x0000，網(wǎng)絡深度Depth0=0。如果一個新節(jié)點(i)想要加入這個ZigBee網(wǎng)絡，且通過這個網(wǎng)絡中的節(jié)點(j)連入，那么節(jié)點(j)被稱作節(jié)點(i)的父節(jié)點。節(jié)點(j)根據(jù)自身的網(wǎng)絡地址Address(j)和網(wǎng)絡深度Depth(j)，給新節(jié)點(i)配置一個網(wǎng)絡地址Address(i)和網(wǎng)絡深度Depthi= Depth(j)+1。在采用父子關系的樹狀網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡深度僅僅表示一個數(shù)據(jù)幀傳遞到ZigBee協(xié)調(diào)器所需要的最小跳數(shù)。ZigBee樹狀網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器自身的網(wǎng)絡深度為0，它的子設備網(wǎng)絡深度配置為1。

2.2 終端節(jié)點設計

傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，通常由傳感器單元(數(shù)據(jù)采集單元)、處理器單元(數(shù)據(jù)處理單)、無線通信單元(數(shù)據(jù)傳輸單元)和能量供應單元4個部分組成，如圖3所示。傳感器單元負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器單元包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等，負責整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合;無線通信單元負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供應單元為傳感器節(jié)點提供所需的能量，通常采用微型高能電池。

圖3 傳感器節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中選擇的美國德州儀器公司CC2530芯片包含一個高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核(運行時鐘為32 MHz)。它具有64/ 128/256KB可編程閃存和SKB的RAM，還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(WatchDog Timer)、32KHZ晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power on reset)、掉電檢測電路(Brown out Detection)以及21個可編程I/O引腳。CC2530增強型8051內(nèi)核使用標準8051指令集，具有8倍于標準8051內(nèi)核的性能。

傳感器是一種以一定的精確度把被測量的非物理量轉(zhuǎn)換成為相應的某物理量的測量裝置，傳感器作為測量裝置的輸入端，是整個檢測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其性能將直接影響檢測的精度，在本系統(tǒng)中，主要傳感器有霍爾傳感器、超聲波傳感器和紅外線傳感器等。

天線選用2.4 GHz貼片陶瓷天線，該天線體積小，采用陶瓷貼片天線時模塊不會由于天線的原因體積過大。在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，通信模塊之間的通信距離一般很短，并且通信節(jié)點眾多，很容易尋找到路由路徑，一般的陶瓷貼片天線增益就可以滿足在工業(yè)生產(chǎn)檢測中的通信要求。

2.3 協(xié)調(diào)器設計

ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層都為其上層提供一組特定的服務:一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務，每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為其上層提供服務接口，并且每個SAP都提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能［3-4］。本文采用S3C4480嵌入式開發(fā)板，該開發(fā)板自帶2M FLASH和8M RAM。網(wǎng)絡芯片采用RTL8019 10M網(wǎng)絡芯片。軟件采用uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee協(xié)議棧+LWIP TCP/IP協(xié)議棧。Zigbee協(xié)調(diào)器基本功能為將基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡與基于ZigBee協(xié)議棧的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從而可以將基于常用的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡中，也可以將ZiBbee網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)流程

產(chǎn)品進入檢測工序時，通過掃描槍獲取到產(chǎn)品的ID，從數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品類型表中查詢出該產(chǎn)品的名稱、產(chǎn)品類型以及該產(chǎn)品應該達到的標準，并保存到服務器，在圖像采集工位，通過攝像頭捕獲產(chǎn)品的圖像信息，并上傳至服務器，供遠程Web監(jiān)控使用，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)測量工位，依次經(jīng)過霍爾傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器區(qū)域，測量產(chǎn)品的長度、寬度、高度等信息，將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的標準值進行比較，判斷零件是否合格，對不合格的零件進行分類，將合格零件的檢測參數(shù)寫入RFID標簽中。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，后臺數(shù)據(jù)庫共設計了3張表，分別為“產(chǎn)品類型表”、“產(chǎn)品質(zhì)量檢測表”和“臨時測量數(shù)據(jù)表”，“產(chǎn)品類型表”中存儲機械零部件的基本信息，包括類型、名稱和規(guī)格等，“產(chǎn)品質(zhì)量檢測表”中存儲零件的測量數(shù)據(jù)等信息，“臨時測量數(shù)據(jù)表”中存儲在測量過程中的臨時數(shù)據(jù)。表結(jié)構(gòu)如表1、表2、表3所示。

表1 產(chǎn)品類型表

表2 產(chǎn)品質(zhì)量檢測表

表3 臨時測量數(shù)據(jù)表

3.3 系統(tǒng)檢測Web界面設計

前臺界面采用VS2005.NET設計，通過Web頁面，可以遠程監(jiān)測機械零部件的檢測過程，實現(xiàn)實時監(jiān)測功能。界面如圖5所示。

圖5 機械零部件質(zhì)量檢測系統(tǒng)運行界面

4 結(jié)束語

針對機械零部件人工質(zhì)量檢測效率低、漏檢率高等問題，根據(jù)機械零部件質(zhì)量檢測分揀系統(tǒng)的技術要求，本系統(tǒng)通過RFID讀寫器、掃描槍、攝像頭、紅外傳感器等終端設備采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)保存在服務器里，通過與產(chǎn)品標準值的比對實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測，最終通過分揀系統(tǒng)實現(xiàn)了合格產(chǎn)品與不合格產(chǎn)品的分離，具有較好的應用前景。

［1］ 張振祥.微小軸承表面缺陷檢測中的自動分揀系統(tǒng)設計［J］.機電工程，2010(5):35-37.

［2］ 李旦，俞承芳.基于影像傳感器的機械零件檢測系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2005，8(8):191-194.

［3］ 原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡應用研究［J］.計算機應用與軟件，2004，21(6):89-91.

［4］ 魏凱斌，蘇和平.基于ZigBee的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表，2011(3):49-53.

The Design of Testing System for Mechanical Parts Based on ZigBee Technology

WANG Yun-liang1SONG Xian-bin2
(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology2.Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

Facing with the reality of the heavy workload，low efficiency of artificial testing system of mechanical parts，the paper designs an on-line automatic detecting system on the basis of the following:the data are collect by image sensor，hall sensor and etc，and the are transferred to coordinator based on ZigBee protocol and transferred to the long-distance server by Ethernet;the information of testing result is written in the RFID label after comparison and analysis in the database and the mechanical parts are separated by the sorting system to achieve the result of automatic testing and sorting of the mechanical parts

quality testing and sorting system;ZigBee technology;sensor

book=90,ebook=90

TP 274

A

1672-2434(2012)03-0015-04

2012-02-10

王云良(1968-)，男，副教授，從事研究方向:物聯(lián)網(wǎng)技術