基于ZigBee的塔機(jī)高度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙翊杰，董增壽，楊 勇

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

塔式起重機(jī)(簡(jiǎn)稱塔機(jī))是建筑工地中必不可少的設(shè)備，憑借其巨大的優(yōu)越性，極大的推動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及社會(huì)的發(fā)展。然而塔機(jī)屬于高空作業(yè)機(jī)械，監(jiān)控不當(dāng)或者操作不規(guī)范都將造成嚴(yán)重的后果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在所有機(jī)械設(shè)備故障中，起重機(jī)械故障占比高達(dá)20%[1]，是特種設(shè)備中事故發(fā)生率最高的一種，每年因塔機(jī)事故造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡[2]，因此，加強(qiáng)對(duì)塔機(jī)工況數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控，減少事故的發(fā)生有著重大的意義。

目前，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔機(jī)起重高度的采集，包括采用數(shù)據(jù)總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]，但布線復(fù)雜；采用GPRS進(jìn)行通信[4]，但功耗和成本高；利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5]，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)；本文在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合ARM-STM32平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方案，即由安裝在塔機(jī)起重部位的BMP085傳感器對(duì)起升高度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，然后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器端，在ARM終端進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)界面交互等功能，能及時(shí)有效的監(jiān)控塔機(jī)的起重高度變化情況。

1 系統(tǒng)總體方案

基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的塔機(jī)高度采集系統(tǒng)由三個(gè)主要部分構(gòu)成，分別為采集端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ARM監(jiān)控端，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中各傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)高度的采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊處理后由Zigbee模塊的射頻發(fā)送器發(fā)送出去。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、管理以及維護(hù)，同時(shí)協(xié)調(diào)器也是各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集信息的匯聚點(diǎn)[6]，負(fù)責(zé)將各節(jié)點(diǎn)采集到的信息通過(guò)UART口傳送給ARM端，ARM監(jiān)控端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及通過(guò)界面將起升高度的變化顯示出來(lái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)應(yīng)滿足參數(shù)采集、信息匯總發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、人機(jī)界面等功能，因此，本部分內(nèi)容主要介紹了數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)調(diào)器模塊以及ARM監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Overall structure of data acquisition system

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集單元、信號(hào)處理單元以及數(shù)據(jù)發(fā)送單元組成，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集單元主要指采集塔機(jī)起重高度的氣壓傳感器；信號(hào)處理單元主要是將采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)和任務(wù)調(diào)度[7]；數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要負(fù)責(zé)加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)緩沖、加密然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器。數(shù)據(jù)處理單元采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)是新一代的單時(shí)鐘單片機(jī)，和傳統(tǒng)的51系列相比，新一代單片機(jī)不僅兼容了指令代碼，而且還有著更高的運(yùn)算速度、更低的功耗以及超強(qiáng)的抗干擾能力。非常適合在低功耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中工作，本設(shè)計(jì)中單片機(jī)負(fù)責(zé)采集端的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、任務(wù)調(diào)度等工作。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 The terminal structure of data

本研究中高度的采集采用的是德國(guó)BOSCH公司生產(chǎn)的BMP085氣壓傳感器，該模塊是一款超高精度、超低功耗的大氣壓力傳感模塊，廣泛應(yīng)用于各種氣壓、高度的測(cè)量中。它的性能卓越，絕對(duì)精度最低可以達(dá)到0.03hPa(0.25m)，并且耗電極低，只有3μA.BMP085可以通過(guò)I2C總線與單片機(jī)相連：傳感器的SDA、SCL引腳分別連到單片機(jī)的P1.1/T2EX和P1.0/T2引腳，連接圖如圖3所示。

2.2 Zigbee模塊設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)主要用于短距離、低功耗且對(duì)傳輸速率和反應(yīng)時(shí)間要求不是特別高的電子設(shè)備之間[8]。本系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)采用的芯片是TI公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片，該芯片采用工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器作為內(nèi)核，能夠滿足Zigbee在2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，同時(shí)CC2530F256具有256 kB的編程閃存和8kB的RAM，除此之外，它還有豐富的外設(shè)電路，其中有ADC、定時(shí)器、看門狗、上電復(fù)位電路、睡眠模式定時(shí)器和21個(gè)可編程I/O引腳，使得該芯片可以提供多種工作模式，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[9]，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于ZigBee的要求。本系統(tǒng)中的ZigBee采集端原理圖如圖4所示，ZigBee模塊的RXD、TXD引腳分別對(duì)應(yīng)連接到單片機(jī)的P3_0/RXD、P3_1/TXD引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖3 BMP085與單片機(jī)連接示意圖

Fig.3 BMP085 with single-chip microcomp uter connection diagram

圖4 ZigBee終端原理圖

Fig.4 The principle diagram of the ZigBee terminal

2.3 ARM監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103芯片作為主控制器，STM32系列微控制器是ARM公司專門為嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用而研發(fā)的，其采用的Cortex-M3內(nèi)核高于ARM7內(nèi)核的處理速度，能夠很好的滿足嵌入式領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒌凸?、?shí)時(shí)性的要求。除此之外，內(nèi)部的 falsh 容量有 512 字節(jié)，同時(shí)支持外部存儲(chǔ)設(shè)備[10]。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收，協(xié)調(diào)器通過(guò)UART串口與ARM板進(jìn)行連接，ARM上的LCD顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示采集的工況參數(shù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中。監(jiān)控終端的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

ZigBee與ARM板連接的時(shí)候，協(xié)調(diào)器上的CC2530的P0口配置為外設(shè)I/O模式，P0口的2、3、4、5引腳分別映射為UART模式下的RX、TX腳，并分別連接ARM板子上UART1口的TXD、RXD引腳[11]。ZigBee 協(xié)調(diào)器與 ARM 處理器之間的 UART 接口定義和連接如圖6所示，UART 通信參數(shù)設(shè)定如下：

圖5 終端總體結(jié)構(gòu)圖

Fig.5 The whole structure of terminal

圖6 UART接口定義與連接

Fig.6 UART interface definition and connection

比特率：115 200 b/s；

數(shù)據(jù)位：8bit；

停止位：1bit；

校驗(yàn)位：無(wú)；

硬件流控制：無(wú)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 BMP085工作原理及軟件流程

3.1.1 BMP085發(fā)送指令方式

STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)BMP085發(fā)送控制指令時(shí)序圖如圖7所示。

圖7 BMP085控制指令時(shí)序圖

Fig.7 BMP085 control instruction sequence diagram

單片機(jī)向模塊發(fā)送指令的流程如下：

(1)發(fā)送模塊地址+W(寫操作)，如圖中的0xEE；

(2)發(fā)送寄存器地址(Register address)，如圖中的第一個(gè)0xF4;

(3)發(fā)送寄存器的值(Control register data)，如圖中的第二個(gè)0xF4.寄存器的值表示BMP085要采用的測(cè)量模式以及所需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 BMP085測(cè)量模式表

Tab.1 The Table of BMP085 measurement mode

寄存器取值(寄存器地址0xF4)測(cè)量模式最長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms0x2E溫度測(cè)量4.50x34普通壓力測(cè)量4.50x74低精度壓力測(cè)量7.50xB4中精度壓力測(cè)量13.50xF4高精度壓力測(cè)量25.5

3.1.2 BMP085讀取數(shù)據(jù)流程

從BMP085讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如圖8所示。

圖8 BMP085讀取數(shù)據(jù)時(shí)序圖

Fig.8 BMP085 read data sequence diagram

具體步驟如下：

(1)發(fā)送模塊地址+W(寫操作)，如圖中的0xEE；

(2)發(fā)送寄存器地址(Register address)，如圖中的0xF6；

(3)重新進(jìn)行IIC傳輸(Restart)；

(4)發(fā)送模塊地址并進(jìn)行讀操作，如圖中的0xEF;

(5)讀取測(cè)量值得高8位(MSB);

(6)讀取測(cè)量值的低8位(LSB).

3.1.3 傳感器工作流程

模塊上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，讀取E2PROM中的校準(zhǔn)參數(shù)，開(kāi)始進(jìn)行溫度采集，由表1 可知，系統(tǒng)會(huì)先等待4.5 ms，溫度采集結(jié)束后進(jìn)行氣壓值采集，本系統(tǒng)中采用的是高精度測(cè)量模式，所以系統(tǒng)會(huì)有25.5 ms的延時(shí)，最后根據(jù)采集的溫度值和壓力值計(jì)算出實(shí)際的大氣壓力值，如見(jiàn)流程如圖9所示。

圖9 傳感器工作流程圖

Fig.9 Sensors work flow chart

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，判斷是否允許終端節(jié)點(diǎn)加入以及給新加入的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址等。本系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是星型拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)備通電之后首先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，然后開(kāi)始組建網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)成功后開(kāi)始偵聽(tīng)是否收到入網(wǎng)請(qǐng)求，有的話則允許加入并且分配給終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)ID，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，最后通過(guò)UART串口將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給ARM端。其工作流程如圖10所示。

圖10 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件流程圖

Fig.10 The software flow chart of ZigBee coordinator

3.3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 氣壓值與高度的轉(zhuǎn)換

氣壓值與高度轉(zhuǎn)換公式如公式(1)所示：

H=44330*[1-(PP0)15.255]

(1)

其中，P為測(cè)得的氣壓值，P0為標(biāo)準(zhǔn)氣壓：1013.25 hPa，通過(guò)測(cè)量可知，太原地區(qū)平均海拔約為800 m，得出二者對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖11所示。

圖11 氣壓與高度關(guān)系圖

Fig.11 The relationship betweenair pressure and altitude diagram

由圖11可以得出，在采用高精度測(cè)量模式下，每當(dāng)氣壓值變化0.1 hPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的高度變化約為0.9 m，由于塔機(jī)通常起重高度都在幾十米到幾百米，因此，該方法誤差在允許范圍內(nèi)。

3.3.2 監(jiān)控終端軟件流程

監(jiān)控終端主要負(fù)責(zé)將ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口接收過(guò)來(lái)，開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始化操作，包括串口通信、報(bào)警參數(shù)、看門狗[12]等等，然后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)，查看UART串口是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí)，終端會(huì)一方面將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將各參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化并且在界面上顯示出來(lái)。其工作流程圖如圖12所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖13(a)所示，本系統(tǒng)采用5 V電壓模塊供電，上電后，首先協(xié)調(diào)器指示燈正常，說(shuō)明組網(wǎng)成功，然后各終端Zigbee模塊指示燈閃爍，說(shuō)明入網(wǎng)成功，最后在ARM界面上工作燈閃爍，隨后顯示出采集的數(shù)據(jù)，并且隨著傳感器高度調(diào)整，數(shù)據(jù)會(huì)有相應(yīng)變化。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器端，通過(guò)串口可以在PC端顯示出來(lái)，圖13(b)中顯示的是傳感器在變化過(guò)程中定時(shí)發(fā)送的一些數(shù)據(jù)。

圖12 監(jiān)控終端工作流程圖

Fig.12 The flow chart monitoring terminal

(a)

(b)

圖13 系統(tǒng)工作圖

Fig.13 The working interface of system

實(shí)際測(cè)試中，選取太原科技大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了樓層與地面的相對(duì)距離、對(duì)應(yīng)樓層的室外氣壓、測(cè)量高度以及相對(duì)誤差，測(cè)量結(jié)果如表所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

Tab.2 The experimental results

樓層室外氣壓值/hPa測(cè)量相對(duì)高度/m樓層實(shí)際高度/m誤差絕對(duì)值/m2樓1 007.755.105.280.183樓1 007.338.648.900.264樓1 006.9812.6812.350.335樓1 006.5015.6515.900.256樓1 006.0419.8519.550.30

由表2數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的測(cè)量值與實(shí)際高度的平均誤差為0.264，測(cè)量結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)塔機(jī)安全監(jiān)控的需要，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的塔機(jī)起重高度采集系統(tǒng)，采用ST公司最新設(shè)計(jì)的STM32系列處理器作為主控單元，對(duì)傳感器、STC12C5A60S2單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)模塊以及STM32 嵌入式模塊進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便、可擴(kuò)展性高、成本低、功耗小的特點(diǎn)，能夠解決塔機(jī)起重高度采集時(shí)布線復(fù)雜、監(jiān)控成本高的問(wèn)題，具有重要的實(shí)際意義和一定的運(yùn)用推廣價(jià)值。