基于無線傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
（成都安萊格科技有限公司，中國成都，430083）
摘要 ： 設(shè)計了一種無線傳輸?shù)墓I(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了單片機、無線通信及計算機信息管理等技術(shù)，采用低功耗ATMEGE88單片機和CYRF6936無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)設(shè)備點檢、數(shù)據(jù)采集和遠距離無線傳輸；并提出了基于無線設(shè)備標(biāo)識牌技術(shù)的設(shè)備編碼與測試流水號靈活配置的方案，以實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)實時在線/離線監(jiān)控。
關(guān)鍵詞： 單片機 數(shù)據(jù)采集 無線傳輸 預(yù)警系統(tǒng)
Equipment Condition Monitoring System Based on Wireless Transmission
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
引言
現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，使設(shè)備故障的預(yù)測在生產(chǎn)過程中已顯現(xiàn)得尤為重要。檢修計劃的合理制訂、生產(chǎn)成本的有效控制、安全事故的預(yù)防與避免、費用重復(fù)投入等無不與設(shè)備在線運行工況息息相關(guān)。隨著無線通信網(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)的不斷增加使得無線通信技術(shù)正在進入自動控制領(lǐng)域。本文介紹一種基于無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(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。
1. 系統(tǒng)組成及工作原理
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。分為四個組成部分：信息處理和管理計算機系統(tǒng)、無線傳輸信號中繼器、數(shù)據(jù)采集及傳輸部分。
該系統(tǒng)為三層工作方式，其中在線式無線點檢設(shè)備與離線式無線點檢設(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，無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)工作在第二層，它將分布在各個區(qū)域點檢數(shù)據(jù)用接力方式進行遠距離無線傳輸。采用2.4 GHz的通訊頻段，為直序擴頻通訊方式，抗干擾能力較強。計算機預(yù)警數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為最高層，屬管理層面。各點檢測數(shù)據(jù)通過在線監(jiān)測設(shè)備和離線監(jiān)測設(shè)備被送入無線通訊網(wǎng)絡(luò)，再由無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送入計算機數(shù)據(jù)庫，通過計算機預(yù)警管理系統(tǒng)，提交給設(shè)備管理人員使用。
2. 硬件及軟件設(shè)計
2.1 數(shù)據(jù)采集及無線傳輸硬件設(shè)計
硬件電路采用模塊化的設(shè)計方法，包括傳感器與信號調(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，如無線溫度傳感器包括所有的模塊，無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、壓力等；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、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)點進行無線通信；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切換外圍模塊電源供應(yīng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。無線傳感器、無線傳輸信號中繼器、無線數(shù)據(jù)接收中心機、無線設(shè)備標(biāo)識牌均采用ATMEGE88單片機結(jié)合CYRF6936單片射頻芯片作為系統(tǒng)的核心。傳感器模塊定時采集現(xiàn)場數(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線中繼器。無線中繼器將該數(shù)據(jù)直接或通過其它無線中繼器傳輸至無線數(shù)據(jù)接收中心機。接收中心機將接收數(shù)據(jù)通過MAX232轉(zhuǎn)換為RS232格式數(shù)據(jù)發(fā)送給主計算機。
AVR單片機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 個通用I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(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器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式�？臻e模式時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；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準(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)的無線收發(fā)模塊。它僅需21mA的工作電流，具有高達1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率和低于2ms的平均延遲。運用了直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，能有效阻止來自于諸如802.11b/g、藍牙、無繩電話和微波爐等其他技術(shù)的頻率干擾。
系統(tǒng)獨創(chuàng)無線離線點檢模式，采用電池供電的設(shè)備標(biāo)識牌，平時處于休眠狀態(tài)，僅在設(shè)備編碼流水號設(shè)置和離線點檢時發(fā)送設(shè)備編碼號及該設(shè)備數(shù)據(jù)采集模塊流水號。設(shè)備檢查人員采用手持設(shè)備檢測儀，按動開關(guān)則可將該設(shè)備的設(shè)備編號及流水號讀出，同時將測點的數(shù)據(jù)打包發(fā)出。每臺設(shè)備可共用1個設(shè)備ID號，可以有多個測試點的流水號。既可以在線測量時為數(shù)據(jù)采集模塊提供流水號，又可以在采用離線檢測設(shè)備時提供設(shè)備ID號和流水號。從而達到自動檢測和人工手動檢測時設(shè)備ID號和流水號靈活配置。
2.2 數(shù)據(jù)采集及無線傳輸軟件設(shè)計
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其使用壽命。為保證有較低的功耗，除在硬件電路設(shè)計時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，微控制器進入掉電模式，只有一個低功耗定時器運行，保證在設(shè)定的時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從掉電模式被定時器中斷喚醒后的程序流程。
圖3 圖4
要實現(xiàn)傳感器與無線中繼器的通信，需要對CYRF6936進行初始化配置和用戶程序設(shè)計。發(fā)送和接收程序流程如圖5所示。ATMEGA88通過SPI口對CYRF6936進行參數(shù)設(shè)置，并啟動發(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)前需先判斷無線傳感器是否已經(jīng)找到作為其父節(jié)點的無線中繼器，已找到父節(jié)點則發(fā)送已采集數(shù)據(jù)；沒有則先發(fā)送申請加入網(wǎng)絡(luò)命令幀，并等待應(yīng)答，在設(shè)定的等待超時內(nèi)收到無線中繼器的應(yīng)答，將改無線中繼器作為無線傳感器的父節(jié)點，向父節(jié)點發(fā)送已采集的數(shù)據(jù)。如沒有收到無線中繼器的應(yīng)答則退出，進入低功耗模式，等待下一次發(fā)送時間到來，發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5。
圖5
2.3 信息處理和管理計算機系統(tǒng)
設(shè)備運行監(jiān)控管理系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫和VB語言編程。主要功能是接收數(shù)據(jù)采集機經(jīng)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)送過來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并實時顯示和處理。在對PC機串口通信進行編程時，利用 MSComm 控件提供的事件驅(qū)動方式，當(dāng)串口發(fā)生事件和錯誤時，MSComm 控件會產(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，若通過校驗，則進行相應(yīng)處理，否則，發(fā)出錯誤信息并要求繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備運行監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能包括：
(1)設(shè)備數(shù)據(jù)庫管理功能：包括數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建、數(shù)據(jù)庫維護、數(shù)據(jù)庫查詢。
(2)數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)自動接收無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備位置碼存入數(shù)據(jù)庫以供分析、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)備在某個時間段內(nèi)的運行狀況更加直觀。
(4)點檢計劃管理功能：根據(jù)不同的管理模式制定巡、點檢計劃，考核點檢計劃完成情況等。
(5)超限實時報警功能：采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)備運行時的正常范圍，系統(tǒng)以聲音和畫面提示兩種方式報警。
(6)統(tǒng)計報表功能：根據(jù)用戶需求制定各種設(shè)備運行報表。
(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)庫共享。
3 ． 結(jié)論
設(shè)備運行監(jiān)控管理系統(tǒng)已經(jīng)在某大型鋼鐵集團現(xiàn)場投入使用一年多。運行中，該系統(tǒng)大大減少了工人勞動強度和時間，提高了測量精度和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)了自動數(shù)據(jù)處理和曲線繪制。
目前，該系統(tǒng)可處理的現(xiàn)場設(shè)備包括：壓力、溫度、振動、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)中的要求開發(fā)出更多性能的檢測項目，同時進一步提高采集數(shù)據(jù)的精度和速度�？蓪崿F(xiàn)企業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)的共享。及時地獲取生產(chǎn)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，對于實現(xiàn)遙控測量和滿足先進制造技術(shù)對測控技術(shù)的要求有著重要意義。
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