多物理量無線遠程測控系統(tǒng)的設(shè)計

楊洪濤，徐 傲，張 宇

(1.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

目前市場上各種實驗裝置的數(shù)據(jù)采集主要采用單片機、可編程邏輯控制器(PLC)、數(shù)據(jù)采集卡等方式進行[1-2]，主要采用有線連接方式，容易產(chǎn)生信號衰減，大多無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控，例如文獻[3]研制的基于LabVIEW的車體靜強度試驗臺測控系統(tǒng)，其傳感器是通過有線和可編程邏輯控制器進行連接；文獻[4]研制的基于LabVIEW的采煤機模擬調(diào)高實驗裝置測控系統(tǒng)，以NI PCIe-6323數(shù)據(jù)采集卡和電液比例方向閥為核心部件，進行有線連接和信號傳輸；文獻[5]在SET2000傳感器實驗臺結(jié)合虛擬儀器，通過有線連接傳感器、實驗板、顯示儀表進行數(shù)據(jù)采集與顯示；文獻[6]研制的航空渦軸發(fā)動機主軸軸承試驗臺測控系統(tǒng)，其傳感器與Compact DAQ系列數(shù)采平臺通過有線連接進行數(shù)據(jù)采集；文獻[7]研制的基于物聯(lián)網(wǎng)的液壓試驗測控系統(tǒng)，將傳感器與PLC有線連接進行數(shù)據(jù)采集并傳輸至工控機。為了解決這個問題，本文采用ZigBee技術(shù)[8]和LabVIEW軟件，設(shè)計一種可以實現(xiàn)一維工作臺運行溫度、速度、振動、位移和工作載荷測量的多物理量實驗裝置，實現(xiàn)多物理量數(shù)據(jù)的遠程無線采集與監(jiān)控[9]，同時進行信號處理與實時顯示。

1 實驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的多物理量實驗裝置主要包括：一維工作臺、多物理量傳感器、上位機、ZigBee模塊等，整體實驗裝置圖如圖1所示。其中一維工作臺包括電機、滾珠絲杠滑臺、滑臺載物板、導(dǎo)軌等；多物理量傳感器包括溫度傳感器DS18B20、應(yīng)變式壓力傳感器CZL-A、槽型光電傳感器E3S-GS3E4、振動加速度傳感器HWT905、光柵傳感器KA300，分別安裝在一維工作臺周圍；ZigBee模塊以CC2530單片機為主控芯片。

本裝置在上電后電機帶動一維工作臺的滾珠絲杠進行轉(zhuǎn)動，進而使得滑臺載物板左右移動，多物理量傳感器采集一維工作臺運行溫度、速度、振動、位移和工作載荷(壓力)信號，并通過zigbee模塊將數(shù)據(jù)無線傳輸給LabVIEW開發(fā)的上位機進行信號處理與實時顯示，實現(xiàn)電機溫度和轉(zhuǎn)速、電機中齒輪振動頻率、滑臺載物板工作載荷、滑臺位移等 數(shù)據(jù)的遠程無線采集與監(jiān)控。

圖1 綜合實驗裝置圖

2 測控系統(tǒng)電路設(shè)計

本文設(shè)計的多物理量無線遠程測控系統(tǒng)電路包括各傳感器采集電路、無線通訊電路、電機控制電路三部分組成。

2.1 傳感器采集電路設(shè)計

為了實現(xiàn)電機溫度和轉(zhuǎn)速、電機中齒輪振動頻率、滑臺載物板工作載荷、滑臺位移等數(shù)據(jù)的采集，本系統(tǒng)針對所選擇的傳感器型號設(shè)計了電機溫度、電機轉(zhuǎn)速、齒輪振動、滑臺載物板位移和壓力采集的電路。以壓力采集電路和齒輪振動采集電路為例。

壓力采集電路由CC2530單片機、應(yīng)變式壓力傳感器CZL-A和AD轉(zhuǎn)換器HX711組成，如圖2所示。安裝于一維工作臺上的滑臺載物板的中心處用于測量滑臺載物板上放置的物體的重量，壓力傳感器將彈性變形轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號，然后發(fā)送到24位高精度AD轉(zhuǎn)換器HX711，測量時，將AD轉(zhuǎn)換器HX711的輸出引腳與CC2530單片機的P12相連，使得模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號發(fā)送CC2530單片機進行數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)滑臺載物板上工作載荷測量。

圖2 壓力采集電路

齒輪振動采集電路由CC2530單片機、TTL轉(zhuǎn)RS485芯片、振動加速度傳感器HWT905組成[10]，如圖3所示。振動加速度傳感器通過專用磁座吸附于一維工作臺上的電機外殼，將齒輪組的機械振動信號轉(zhuǎn)換為RS485信號，經(jīng)TTL轉(zhuǎn)RS485芯片將RS485信號轉(zhuǎn)化成TTL信號，將TTL轉(zhuǎn)RS485芯片的發(fā)送和接收引腳與CC2530單片機的P02、P03相連，傳輸TTL信號至CC2530單片機進行處理，完成電機中齒輪振動頻率采集。

圖3 齒輪振動采集電路

2.2 無線通訊電路設(shè)計

為了實現(xiàn)多物理量數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸，本系統(tǒng)設(shè)計了ZigBee收發(fā)電路和協(xié)調(diào)器模塊[11-12]。ZigBee收發(fā)電路將傳感器采集電路采集的數(shù)據(jù)進行打包，通過無線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊如圖4所示。協(xié)調(diào)器電路中PL2303芯片將CC2530的串口信號轉(zhuǎn)化為USB通訊信號，通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，同時協(xié)調(diào)器電路也可將上位機發(fā)出的指令信息發(fā)送給指定的功能模塊如圖5所示。由此建立的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，通過搜尋并加入各模塊節(jié)點并分配專屬網(wǎng)絡(luò)地址對終端節(jié)點進行管理[13]，進一步相互無線通信，從而實現(xiàn)多物理量數(shù)據(jù)的遠程無線采集與監(jiān)控。

圖4 ZigBee收發(fā)電路

圖5 協(xié)調(diào)器電路

2.3 電機控制電路設(shè)計

電機控制電路由三相異步減速電機ZH100-20-S、可編程邏輯控制器FX1S-20MT、變頻調(diào)速器LK100-0.75G1、電感式接近開關(guān)CJY118-08NA、直動型限位開關(guān)OV-156-1C25組成，如圖6所示，該電路以PLC為控制核心，對一維工作臺的電機進行驅(qū)動控制。按鍵K1、K2、K3、K4與PLC的X6、X4、X2、X0接線端子相連，分別控制電機正轉(zhuǎn)啟動、反轉(zhuǎn)啟動、多段速切換和電機停轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速器和接線端子Y1、Y2相連,分別控制電機的反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)。接近開關(guān)S1、S2與限位開關(guān)S3、S4分別和接線端子X1、X3與接線端子X5、X7相連，控制一維工作臺的行程。當(dāng)滑臺載物板在到達一維工作臺左右兩端的極限位置后，PLC控制的電感式接近開關(guān)切斷電路且電機反向運行。如果電感式接近開關(guān)出現(xiàn)故障，直動型限位開關(guān)的傳動觸頭受到運動部件的擠壓碰撞后PLC中的輸入端由常閉變?yōu)槌ｉ_，切斷整個電路并使電動機反向運行，同時開始蜂鳴報警。

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括下位機節(jié)點軟件設(shè)計和上位機監(jiān)控軟件設(shè)計兩部分組成，其中下位機節(jié)點軟件設(shè)計基于ZigBee模塊，主要包括各個傳感器信號采集和處理、數(shù)據(jù)的無線通訊；上位機監(jiān)控軟件設(shè)計基于LabVIEW軟件，主要包括采集數(shù)據(jù)的信號處理與實時顯示。

3.1 下位機節(jié)點軟件設(shè)計

基于TI公司的ZigBee協(xié)議棧集成開發(fā)的無線測控系統(tǒng)軟件，該程序工作流程圖如圖7所示。當(dāng)系統(tǒng)上電工作后，第一步所有硬件片內(nèi)資源初始化；第二步協(xié)調(diào)器節(jié)點預(yù)先設(shè)定每個終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)編號TaskID，等待終端節(jié)點的入網(wǎng)請求，啟動并組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；第三步判斷網(wǎng)絡(luò)連接是否成功，如果沒有連接成功，則返回第二步，連接成功則進入下一步執(zhí)行傳感器的數(shù)據(jù)采集；第四步組網(wǎng)后各個傳感器終端節(jié)點開始采集信號；第五步進入while循環(huán)，系統(tǒng)在此循環(huán)中主要完成傳感器信息讀取、數(shù)據(jù)打包發(fā)送、無線收發(fā)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解析及轉(zhuǎn)化等任務(wù)。其中數(shù)據(jù)打包發(fā)送是將網(wǎng)絡(luò)編號TaskID和測量數(shù)據(jù)進行打包，以點播的方式發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)包解析后轉(zhuǎn)化為USB通訊信號。第五步將轉(zhuǎn)化后的信號通過USB通訊傳輸至上位機。

圖6 電機控制電路

圖7 下位機工作流程圖

以壓力傳感器和齒輪振動采集為例，當(dāng)系統(tǒng)上電初始化后，壓力終端節(jié)點嘗試連接網(wǎng)絡(luò)并連續(xù)讀取壓力傳感器的值，其中AD轉(zhuǎn)換模塊HX711將采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號，并通過I2C協(xié)議實現(xiàn)與壓力終端節(jié)點之間的信息傳輸。同理，振動終端節(jié)點嘗試連接網(wǎng)絡(luò)并連續(xù)讀取振動加速度傳感器的振動頻率。其中TTL轉(zhuǎn)RS485芯片將采集到的RS485信號轉(zhuǎn)化成TTL信號，傳輸至振動終端節(jié)點。

3.2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控軟件由LabVIEW軟件進行編程開發(fā)，它允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程登錄進行訪問并對ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸過來的各種信號進行處理與實時顯示。圖8為LabVIEW監(jiān)控軟件的主體程序，在上位機中，通過VISA對串口通信參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)長度、奇偶校驗等進行配置，使用VISA Read讀取ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)[14]。上位機通過USB連接讀取ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸來的各終端節(jié)點數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點預(yù)先設(shè)定每個終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)編號TaskID，判斷每一路輸入、輸出的信號進行相應(yīng)處理，將結(jié)果直觀顯示在前面板上[15]。上位機實時顯示多物理量綜合測控系統(tǒng)各項參數(shù)，同時將振動頻率與標準值進行比較，如果振動頻率超出了標準值，則齒輪箱中的齒輪存在故障，齒輪振動測量節(jié)點發(fā)出聲光報警。

圖8 上位機監(jiān)控軟件主體程序

4 驗證實驗與數(shù)據(jù)分析

為了驗證所設(shè)計的多物理量無線遠程測控系統(tǒng)的有效性，本文模擬各種工作場景并實時監(jiān)控。首先將壓力測量節(jié)點安放在置于滑臺載物板的壓力傳感器上,將電路連接好并給系統(tǒng)上電。然后在0～149s內(nèi)讓電機先以204r/min正常速度正轉(zhuǎn)將帶動滑臺載物板向右移動至最右末端位置，再以正常速度反轉(zhuǎn)，帶動滑臺載物板返回起始位置。最后重復(fù)上述操作，在149～276s內(nèi)將電機變頻加速以240r/min速度帶動滑臺載物板再完成一次正反來回運動。上位機監(jiān)控軟件實時顯示了電機溫度和轉(zhuǎn)速、電機中齒輪振動頻率、滑臺載物板工作載荷、滑臺位移。各模塊運行良好且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，監(jiān)控界面如圖9所示。

本次振動測量的研究對象是三相異步減速電機ZH100-20-S減速齒輪組中的齒輪，上位機每半秒采集一次振動數(shù)據(jù)，分別對齒輪箱的X、Y、Z三個方向做振動頻譜分析，來判斷齒輪箱內(nèi)兩組齒輪的運行狀態(tài)。 從圖9中可以看出， 電機齒輪三個方向的振動幅值在149～276s內(nèi)由于電機變頻加速后有所增大， 但是X軸、Y軸、Z軸整體振動幅值分別基本保持在-0.05g到0.15g、 -0.3g到0.2g、 -0.1g到0.1g之間，符合正常齒輪振動的時域波形圖的特征條件，所以該齒輪組的兩組齒輪正常嚙合且運行狀態(tài)良好。

圖9 上位機監(jiān)控界面

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的多物理量無線遠程測控系統(tǒng)，闡述了以Z-stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)搭建各終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點和LabVIEW軟件開發(fā)的上位機之間通過USB通信，對一維工作臺運行狀態(tài)和多物理量數(shù)據(jù)遠程無線監(jiān)控。

(2)試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)遠程無線采集、可視化監(jiān)控顯示等功能，且數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、運行穩(wěn)定。設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的多物理量無線遠程測控系統(tǒng)有效的解決了多種傳感器實驗裝置中有線傳輸對信號干擾大、無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控的問題，為綜合實驗裝置測控一體化設(shè)計提供了一種方案。