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                  （成都安萊格科技有限公司，中國(guó)成都，430083）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳輸?shù)墓�業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)、無(wú)線通信及計(jì)算機(jī)信息管理等技術(shù)，采用低功耗ATMEGE88單片機(jī)和CYRF6936無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備點(diǎn)檢、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸；并提出了基于無(wú)線設(shè)備標(biāo)識(shí)牌技術(shù)的設(shè)備編碼與測(cè)試流水號(hào)靈活配置的方案，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線/離線監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集 無(wú)線傳輸   預(yù)警系統(tǒng)

                 Xiao Feng-Hua     Cheng Bing

（S. Cent. Univ. Nationalities, Wuhan 430074, PRC）

（Wuhan Iron and Steel Group Corporation, Wuhan 430083, PRC）

Abstract: An equipment condition monitoring and early-warning system is designed, which combined technology of microcontroller, wireless communication and computer management system. Low power ATMEGE88 microcontroller and CYRF6936 wireless module for receiving or transmitting data are used to implement tasks such as equipment route inspection, data acquisition, and remote wireless transmission. Based on wireless equipments identification technique, the paper proposed a flexible scheme to realize the equipment coding, sequence number test, and real-time online or off-line monitoring for equipment running status.

　　Keyword: Microcontroller, Data acquisition, Wireless transmission, Early-warning system

 

　　現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，使設(shè)備故障的預(yù)測(cè)在生產(chǎn)過(guò)程中已顯現(xiàn)得尤為重要。檢修計(jì)劃的合理制訂、生產(chǎn)成本的有效控制、安全事故的預(yù)防與避免、費(fèi)用重復(fù)投入等無(wú)不與設(shè)備在線運(yùn)行工況息息相關(guān)。隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展 , 其傳輸速率不斷提高，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的不斷增加使得無(wú)線通信技術(shù)正在進(jìn)入自動(dòng)控制領(lǐng)域。本文介紹一種基于無(wú)線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以完全替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸模式。

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。分為四個(gè)組成部分：信息處理和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線傳輸信號(hào)中繼器、數(shù)據(jù)采集及傳輸部分。

　　該系統(tǒng)為三層工作方式，其中在線式無(wú)線點(diǎn)檢設(shè)備與離線式無(wú)線點(diǎn)檢設(shè)備為最底層(即第三層)工作設(shè)備，主要功能為數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)工作在第二層，它將分布在各個(gè)區(qū)域點(diǎn)檢數(shù)據(jù)用接力方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸。采用2.4 GHz的通訊頻段，為直序擴(kuò)頻通訊方式，抗干擾能力較強(qiáng)。計(jì)算機(jī)預(yù)警數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為最高層，屬管理層面。各點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和離線監(jiān)測(cè)設(shè)備被送入無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，再由無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)警管理系統(tǒng)，提交給設(shè)備管理人員使用。

 

 

 

　　硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，包括傳感器與信號(hào)調(diào)理單元，數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等，可根據(jù)需要增減相應(yīng)的模塊完成目標(biāo)電路設(shè)計(jì)，如無(wú)線溫度傳感器包括所有的模塊，無(wú)線傳輸中繼器只包含數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集傳感器信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集的信息包含溫度、振動(dòng)、壓力等；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、數(shù)據(jù)傳送方式、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信；電源管理單元為電路提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，在睡眠和正常工作模式時(shí)切換外圍模塊電源供應(yīng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。無(wú)線傳感器、無(wú)線傳輸信號(hào)中繼器、無(wú)線數(shù)據(jù)接收中心機(jī)、無(wú)線設(shè)備標(biāo)識(shí)牌均采用ATMEGE88單片機(jī)結(jié)合CYRF6936單片射頻芯片作為系統(tǒng)的核心。傳感器模塊定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)必要的轉(zhuǎn)換處理后經(jīng)CYRF6936射頻芯片按系統(tǒng)定義通信協(xié)議傳送給距離最近的無(wú)線中繼器。無(wú)線中繼器將該數(shù)據(jù)直接或通過(guò)其它無(wú)線中繼器傳輸至無(wú)線數(shù)據(jù)接收中心機(jī)。接收中心機(jī)將接收數(shù)據(jù)通過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換為RS232格式數(shù)據(jù)發(fā)送給主計(jì)算機(jī)。

 

AVR單片機(jī)的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是8為微控制器中性能較高的器件。ATMEGE88單片機(jī)含8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash， 512字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM，23 個(gè)通用I/O 口線， 32 個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C), 片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個(gè)SPI 串行端口， 8 路10 位ADC， 具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，以及五種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式�？臻e模式時(shí)CPU 停止工作，而SRAM、T/C、USART、兩線串行接口、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ATMEGE88可為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。

CYRF6936為基于2.4GHz WirelessUSB LP射頻片上系統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)模塊。它僅需21mA的工作電流，具有高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率和低于2ms的平均延遲。運(yùn)用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，能有效阻止來(lái)自于諸如802.11b/g、藍(lán)牙、無(wú)繩電話和微波爐等其他技術(shù)的頻率干擾。

系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)無(wú)線離線點(diǎn)檢模式，采用電池供電的設(shè)備標(biāo)識(shí)牌，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，僅在設(shè)備編碼流水號(hào)設(shè)置和離線點(diǎn)檢時(shí)發(fā)送設(shè)備編碼號(hào)及該設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊流水號(hào)。設(shè)備檢查人員采用手持設(shè)備檢測(cè)儀，按動(dòng)開(kāi)關(guān)則可將該設(shè)備的設(shè)備編號(hào)及流水號(hào)讀出，同時(shí)將測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包發(fā)出。每臺(tái)設(shè)備可共用1個(gè)設(shè)備ID號(hào)，可以有多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的流水號(hào)。既可以在線測(cè)量時(shí)為數(shù)據(jù)采集模塊提供流水號(hào)，又可以在采用離線檢測(cè)設(shè)備時(shí)提供設(shè)備ID號(hào)和流水號(hào)。從而達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)和人工手動(dòng)檢測(cè)時(shí)設(shè)備ID號(hào)和流水號(hào)靈活配置。

　　數(shù)據(jù)采集和傳輸程序是傳感器模塊程序的核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)功耗和通信的可靠性，較低的功耗能保證傳感器在不增加電池容量的情況下延長(zhǎng)其使用壽命。為保證有較低的功耗，除在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的減少器件數(shù)量和選用低功耗的器件外，在程序上采用間隙工作的方式。在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，微控制器首先完成數(shù)據(jù)采集和傳輸后關(guān)閉傳感器和數(shù)據(jù)采集單元電源，微控制器進(jìn)入掉電模式，只有一個(gè)低功耗定時(shí)器運(yùn)行，保證在設(shè)定的時(shí)間間隔后能再次采集和傳輸數(shù)據(jù)。圖3為系統(tǒng)程序框圖，圖4為ATMEGA88從掉電模式被定時(shí)器中斷喚醒后的程序流程。

　　要實(shí)現(xiàn)傳感器與無(wú)線中繼器的通信，需要對(duì)CYRF6936進(jìn)行初始化配置和用戶程序設(shè)計(jì)。發(fā)送和接收程序流程如圖5所示。ATMEGA88通過(guò)SPI口對(duì)CYRF6936進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并啟動(dòng)發(fā)送或接收，程序采用中斷接收，中斷發(fā)送。CYRF6936的IRQ引腳與ATMEGA88外中斷0連接，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收完成共用一個(gè)外中斷0，在中斷程序中判斷發(fā)送是否完成或有收到數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)前需先判斷無(wú)線傳感器是否已經(jīng)找到作為其父節(jié)點(diǎn)的無(wú)線中繼器，已找到父節(jié)點(diǎn)則發(fā)送已采集數(shù)據(jù)；沒(méi)有則先發(fā)送申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)命令幀，并等待應(yīng)答，在設(shè)定的等待超時(shí)內(nèi)收到無(wú)線中繼器的應(yīng)答，將改無(wú)線中繼器作為無(wú)線傳感器的父節(jié)點(diǎn)，向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送已采集的數(shù)據(jù)。如沒(méi)有收到無(wú)線中繼器的應(yīng)答則退出，進(jìn)入低功耗模式，等待下一次發(fā)送時(shí)間到來(lái)，發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5。

 

　　設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)和VB語(yǔ)言編程。主要功能是接收數(shù)據(jù)采集機(jī)經(jīng)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示和處理。在對(duì)PC機(jī)串口通信進(jìn)行編程時(shí)，利用 MSComm 控件提供的事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)串口發(fā)生事件和錯(cuò)誤時(shí)，MSComm 控件會(huì)產(chǎn)生OnComm 事件，用戶程序可以捕獲該事件完成數(shù)據(jù)的接收和校驗(yàn)，若通過(guò)校驗(yàn)，則進(jìn)行相應(yīng)處理，否則，發(fā)出錯(cuò)誤信息并要求繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能包括：

(1)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能：包括數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢。

(2)數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)自動(dòng)接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備位置碼存入數(shù)據(jù)庫(kù)以供分析、處理。

(3)參數(shù)曲線圖顯示功能：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)繪制參數(shù)曲線圖，使設(shè)備在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行狀況更加直觀。

(4)點(diǎn)檢計(jì)劃管理功能：根據(jù)不同的管理模式制定巡、點(diǎn)檢計(jì)劃，考核點(diǎn)檢計(jì)劃完成情況等。

(5)超限實(shí)時(shí)報(bào)警功能：采集的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的正常范圍，系統(tǒng)以聲音和畫面提示兩種方式報(bào)警。

(6)統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能：根據(jù)用戶需求制定各種設(shè)備運(yùn)行報(bào)表。

(7)設(shè)備診斷及維修工單打印功能：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)可分析、預(yù)診斷設(shè)備故障，打印設(shè)備維修、維護(hù)工單。

(8)提供與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口功能：系統(tǒng)提供與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，可與其他數(shù)據(jù)庫(kù)共享。

　　設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)已經(jīng)在某大型鋼鐵集團(tuán)現(xiàn)場(chǎng)投入使用一年多。運(yùn)行中，該系統(tǒng)大大減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間，提高了測(cè)量精度和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和曲線繪制。

    目前，該系統(tǒng)可處理的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括：壓力、溫度、振動(dòng)、交直流電參數(shù)等數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。并可按照用戶生產(chǎn)中的要求開(kāi)發(fā)出更多性能的檢測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)進(jìn)一步提高采集數(shù)據(jù)的精度和速度�？蓪�(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)的共享。及時(shí)地獲取生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)遙控測(cè)量和滿足先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)測(cè)控技術(shù)的要求有著重要意義。

   

　　[1]具有8K系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位微控制器ATmega48(V)88(V)168(V)[M],2545D–AVR–07/04

　　[2]Cypress WirelessUSB Radio IC,CYRF6936 at (http://www. cypress.com)

　　[3]Cypress Micro Systems, Inc. PSoC Mixed Signal Array Technical Reference Manual Version 2.10. Cypress Micro Systems, 2005

　　[4]李剛，張志宏。蜜蜂的舞蹈－zigbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用。電子產(chǎn)品世界[J] 2006,2