基于CC2530的電機無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究

李 平，張曉宇

(華北科技學院，北京東燕郊 065201)

基于CC2530的電機無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計研究

李 平，張曉宇

(華北科技學院，北京東燕郊 065201)

電機在工業(yè)生產(chǎn)及我們的日常生活中的應用十分廣泛，已成為當今生產(chǎn)活動和日常生活中最主要的原動力和驅(qū)動裝置。ZigBee無線網(wǎng)絡通信技術及傳感器技術的快速發(fā)展，推動了現(xiàn)代工業(yè)的智能化發(fā)展。本文基于TI公司的CC2530芯片，針對工業(yè)領域中不超過10 kW的中小功率電機，分別設計了電機數(shù)據(jù)采集的子節(jié)點和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)節(jié)點，構(gòu)建ZigBee組網(wǎng)。通過Zig-Bee網(wǎng)絡將電機的運行數(shù)據(jù)傳送給遠程PC端，實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，確保電機的正常運行。

CC2530;電機;無線監(jiān)測

Abstract：The motor is widely used in modern industrial production and our daily life and has become the most important driving force and driving device.The rapid development of ZigBee wireless network communication technology and sensor technology promotes the intelligent development of modern industry.For the small and medium power motor no more than 10kW in industrial field，the system designed sub－nodes of the motor data acquisition and coordination nodes of the data wireless transmission based on CC2530 chip of TI company，and constructed ZigBee network.The running data of the motor is transmitted to the remote PC terminal through the ZigBee network to realize the real－time monitoring of operation status of the motor.It ensured the normal operation of the motor.

Key words：CC2530;motor;wireless monitoring

0 引言

現(xiàn)代電機設備特別是大型電機設備日益朝著高效率、高精度、高集成度和現(xiàn)代化、大型化、自動化、網(wǎng)絡化等方向發(fā)展，導致電機運行性能和結(jié)構(gòu)復雜程度的不斷提高，各部份關聯(lián)程度也越來越復雜［13］。對大型企業(yè)，如煤炭行業(yè)，由于井下采、掘等各操作設備的大額性、綜合性、過程性等特點，設備的運行成本及維護成本較高，這就要求在提高其可靠性和產(chǎn)能的同時，增加故障維修間隔時間［1－2］。要達到這些要求，一個重要的因素就是為電機提供先進的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。以便早期發(fā)現(xiàn)電機運行元件、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的故障，避免出現(xiàn)不良的運行狀況。因此，對電機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研究是非常必要的。

傳統(tǒng)的電機監(jiān)測方式是采用各種測試儀或在電機運轉(zhuǎn)的關鍵部位安裝相應的傳感器，配合相應的電子儀表進行電機的參數(shù)測量［4］。后來，微電子技術的發(fā)展，推動了電機的智能化發(fā)展，TMS320F2812等 DSP控制芯片、S3C2440A等ARM微處理器的出現(xiàn)，提高了電機數(shù)據(jù)采集的準確性與實時性，但是這些監(jiān)測系統(tǒng)都是以有線的通信方式傳輸信號的［5－6］。對于煤礦等比較復雜的工作環(huán)境，存在布線困難等問題。針對傳這一情況，本文設計了基于CC2530的ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對電機運行狀態(tài)的實時無線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)工作原理

電機監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和顯示模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊均基于CC2530設計，基于CC2530分別構(gòu)建ZigBee數(shù)據(jù)采集子節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點傳感器采集到電機運行參數(shù)數(shù)據(jù)后，經(jīng)CC2530自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡，子節(jié)點加入網(wǎng)絡形成自組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信。子節(jié)點將數(shù)字信號分兩路傳輸，一路直接發(fā)送給現(xiàn)場液晶顯示模塊，使得現(xiàn)場工作人員可以直觀的觀察電機運行狀態(tài)，另一路經(jīng)節(jié)點無線收發(fā)模塊將信號發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點接收信號，將數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸給PC端，使遠程監(jiān)控中心的工作人員也可以隨時掌握電機運行狀態(tài)。

圖1 電機無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設計

電機監(jiān)測系統(tǒng)由上位機監(jiān)控界面和電機網(wǎng)絡節(jié)點兩部分組成。上位機監(jiān)控界面由PC端與協(xié)調(diào)器通過串口相連［12］。系統(tǒng)中，電機監(jiān)測子節(jié)點由電壓檢測模塊、電流檢測模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊、溫度檢測模塊和無線通信模塊五部分組成。監(jiān)測子節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖和硬件實物圖分別如如圖2、圖3所示。

圖2 監(jiān)測子節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

圖3 子節(jié)點硬件實物圖

2.1 主控芯片

系統(tǒng)主控芯片為TI公司生產(chǎn)的CC2530，它是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結(jié)合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KB的閃存。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)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。

2.2 電壓檢測模塊

電壓的檢測選用電壓互感器LCTV31CE，此型號傳感器為電流型電壓互感器，屬微型精密電壓變換器，可采集交流電壓，隔離能力強，安全可靠。圖4為電壓檢測模塊電原理圖。輸入側(cè)電阻限流使得到2 mA的輸入電流，LCTV31CE輸出與輸入側(cè)同大小的電流，經(jīng)整流濾波后輸入CC2530的P04、P05、P06引腳進行A/D轉(zhuǎn)換。

2.3 電流檢測模塊

電流參數(shù)的測量，選用的霍爾傳感器ACS712，霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場，通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。圖5是ACS712的引腳及內(nèi)部框圖。從ACS712的內(nèi)部框圖與封裝解剖圖可以看出，原邊電流只是從芯片內(nèi)部流過，與副邊電路并沒有接觸，原邊與副邊是隔離的，因為封裝小，所以ACS712的隔離電壓為2100 V。因為電流的流過會產(chǎn)生一個磁場，霍爾元件根據(jù)磁場感應出一個線性的電壓信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波、與斬波電路，輸出一個電壓信號［8］。經(jīng)分壓濾波后，輸入到CC2530的P01、P02、P03引腳進行A/D轉(zhuǎn)換。圖6是電流檢測模塊的電路原理圖。

圖4 電壓檢測模塊電原理圖

圖5 ACS712引腳及內(nèi)部框圖

圖6 電流檢測模塊的電路原理圖

2.4 溫度檢測模塊

溫度檢測選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息，僅需要一根口線(單線接口)。DS18B20提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。使用時也可將其粘貼或埋置在電機繞組部位，測量其局部溫度。

2.5 轉(zhuǎn)速檢測模塊

轉(zhuǎn)速的測量選用A3144E開關型霍爾傳感器，利用的也是霍爾效應原理，它是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補償電路和集電極開路的輸出級組成的磁敏傳感電路，輸入為磁感應強度，輸出是一個數(shù)字電壓信號。圖7是轉(zhuǎn)速測量模塊原理圖。

圖7 轉(zhuǎn)速測量模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括上位機監(jiān)控界面軟件設計、協(xié)調(diào)節(jié)點軟件設計和子節(jié)點軟件設計三部分。子節(jié)點負責與協(xié)調(diào)節(jié)點建立網(wǎng)絡，將采集到的電機數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點。程序流程圖如圖8所示。協(xié)調(diào)節(jié)點管理網(wǎng)絡，接受子節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，處理后經(jīng)串口將其發(fā)送給PC監(jiān)控端。程序流程圖如圖9所示。監(jiān)控界面將采集到的電機運行數(shù)據(jù)顯示出來，便于

圖8 子節(jié)點軟件流程圖

工作人員及時掌握電機的工作狀態(tài)。電機監(jiān)控界面如圖10所示。

圖9 協(xié)調(diào)節(jié)點軟件流程圖

圖10 電機監(jiān)控界面

4 結(jié)語

該系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場應用條件，以一臺中小功率型電機為研究對象，以TI公司的CC2530為核心設計無線傳感節(jié)點，并針對電機運行過程中的電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速四個重要參數(shù)，分別采用電流型電壓互感器LCTV31CE、電流傳感器ACS712、溫度傳感器DS18B20和轉(zhuǎn)速傳感器A3144E采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，具有工作穩(wěn)定可靠、無線通信靈活、使用方便等特點，可廣泛應用于各領域電機運行狀態(tài)在線監(jiān)測。

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Design and Research on Wireless Monitoring System Based on CC2530

LI Ping，ZHANG Xiao－yu
(North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China)

M343.2

A

1672－7169(2017)03－0092－05

2017－05－23

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(3142017046、3142016022)，河北省科技計劃項目(15272118)

李平(1992－)，女，山西長治人，華北科技學院在讀碩士研究生，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)在電氣傳動技術中的應用。E－mail：1755382002@qq.com