引言
很多工礦企業(yè)用到多種大功率電機，如抽風機、提升機、傳輸機等。這些電機大多是長時間連續(xù)運行的，而且現場壞境復雜，電機很有可能會遇到過載、絕緣局部損壞等情況，如果電機出現異常情況沒有時發(fā)現而繼續(xù)運行，會直接引起電機溫度變化，時間過長就可能會造成電機及相關設備損壞，產生重大經濟損失和人員傷亡。實時監(jiān)測這些電機的溫度可以間接的監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。本文提出了一種采用數字傳感器網絡來監(jiān)控電機各點溫度，通過ZigBee網絡與GPRS網絡對接將信息傳輸到監(jiān)控中心的智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，這套系統(tǒng)避免了有線傳輸系統(tǒng)的線路鋪設，而且解決了ZigBee技術智能進行短距離傳輸的問題，使用GPRS技術實現遠程監(jiān)控。
ZigBee技術和GPRS技術
ZigBee技術具有低功耗和短距離傳輸的特點。一臺ZigBee設備可連接多達254臺ZigBee設備，這些設備使用干電池供電，可以持續(xù)供電達一年。ZigBee技術的低數據速率和通信范圍小，適用于承載較小數據流量的業(yè)務。根據網絡中承擔任務的不同，網絡設備可以分為網絡協(xié)調器、網絡路由器和網絡終端設備。ZigBee網絡根據應用的需要可以組織成星形網絡、網狀網絡和簇狀網絡3種拓撲結構。
GPRS是在現有的GSM網絡基礎上發(fā)展起來的一種分組交換和傳輸方式，在嵌入式系統(tǒng)中應用非常廣泛。它的基本功能是在移動終端與標準數據通信網絡的路由器之間傳遞分組數據。GPRS具有數據傳輸速率高、永久在線等優(yōu)點，被廣泛應用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
系統(tǒng)的原理及結構
本系統(tǒng)為基于ZigBee無線傳感器、利用GPRS網絡傳輸匯總節(jié)點數據的完整無線網絡（如圖1所示）。網絡采用星型拓撲結構。
圖1 電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構
主站的工控機通過串口與GPRS模塊通信，在電機網絡中每個需要監(jiān)測的電機上安裝溫度傳感器，組成傳感器網絡。這個網絡易于擴展，當有其他需要測溫的點增加時，ZigBee具有自組網功能，在上電時會自動監(jiān)測到新增的測溫節(jié)點。
當溫度傳感器檢測溫度信號后，經內含ZigBee傳感器節(jié)點RFD模塊處理后得到數據信息，然后協(xié)調器節(jié)點ZigBee FFD模塊將數據信息打包處理，通過RS232與GPRS模塊相連，經GPRS網絡將數據信息傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可將信息實時顯示，并且具有存儲、查詢、報警等功能。
系統(tǒng)硬件電路設計
測溫節(jié)點元件選型及設計
溫度傳感器選用DALLAS公司的DSl8B20芯片，它是采用單總線的傳輸方式的數字式傳感器，使節(jié)點體積小、功耗低和外圍電路簡單。它可以提供9～12位攝氏溫度，工作溫度范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃的范圍內精度為0.5℃。
ZigBee模塊采用HFZ-CC2530EM-V1.0模塊，它采用TI ZigBee射頻芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內核、128-bit ADC、2個USART以及功能強大的DMA功能等，支持ZigBee2207/Pro協(xié)議棧。該模塊引出所有可用I/O，用戶可使用片上所有資源。可方便的實現高性價比、高集成度的ZigBee解決方案。
較CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升。
測溫節(jié)點電源采用兩節(jié)1.5V干電池提供，CC2530采用休眠和定時喚醒模式，大大降低了功耗，延長電池壽命。
測溫節(jié)點結構圖如圖2所示。
圖2 測溫節(jié)點結構圖
ZigBee網絡協(xié)調器節(jié)點設計
ZigBee網絡協(xié)調器節(jié)點設計如圖3所示，GPRS模塊采用天津菲利科電子技術有限公司生產的FK21G系列工業(yè)級GPRS無線數據透明傳輸單元（GPRS DTU），本單元設備是一種工業(yè)級物聯(lián)網遠程無線透明數據傳輸設備，利用公用GPRS網絡提供遠程數據傳輸功能。此GPRS單元內嵌TCP/IP、UDP/PPP協(xié)議，提供遠程高速透明數據傳輸、無線互聯(lián)網接入功能，并支持永遠在線。內置原裝進口高性能西門子GPRS芯片，采用雙看門狗設計，支持工業(yè)標準RS232、RS485和USB接口。該產品已廣泛應用于工業(yè)監(jiān)控、智能電網、無線抄表、能源監(jiān)控、交通物流等物聯(lián)網多個領域。GPRS模塊通過串口RS232與CC2530相連。
圖3 網絡協(xié)調器結構圖
系統(tǒng)軟件設計
上位機監(jiān)控軟件
本系統(tǒng)采用北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)王上位機的組態(tài)軟件，監(jiān)控界面包括各分站分布及運行情況查詢、數據通信、數據處理和報表處理四個子系統(tǒng)。
分站運行情況子系統(tǒng)可以查看各電機的運行情況和溫度信息，并具有實時報警功能。
數據通信子系統(tǒng)主要負責監(jiān)控中心與協(xié)調器節(jié)點之間的數據通信，控制命令通過GPRS網絡傳送到指定節(jié)點，可以查詢各分站的溫度信息。
數據處理子系統(tǒng)與數據庫相連，將監(jiān)控的各種數據自動記錄儲存到數據庫，操作人員可以進行數據的查詢、設置、刪除等操作。
報表處理子系統(tǒng)用來統(tǒng)計、運算、處理監(jiān)控數據，可以自動生成各種報表，并且具有存儲、顯示、打印等功能。
下位機軟件設計
下位機軟件主要實現傳感器節(jié)點的數據采集及發(fā)送、Zigbee網絡與傳感器節(jié)點的通信、Zigbee網絡數據傳輸、協(xié)調器節(jié)點與GPRS模塊之間的數據通信和GPRS模塊的數據收發(fā)。開發(fā)環(huán)境為IAR，面向GPRS模塊編程，使用C語言并借助協(xié)調器CC2530向GPRS模塊發(fā)送數據。
傳感器節(jié)點主要負責采集網絡中電機各測溫點的溫度信息，將這些數據處理后傳送給路由節(jié)點，同時接收路由節(jié)點的指令，并根據這些指令進行相應的操作，當沒有數據接收和發(fā)送指令時，進入休眠模式，使節(jié)點功耗降低，其工作流程如圖4所示。
圖4 傳感器節(jié)點流程圖
ZigBee協(xié)調器節(jié)點通過查詢的方式來收發(fā)采集數據和控制信號。如圖5所示，先對協(xié)議和串口上電初始化，然后進行電量進行檢測，當電池電量不足時會發(fā)出報警信號。子節(jié)點執(zhí)行入網進程，刷新路由檢測網絡有沒有添加或刪除節(jié)點，協(xié)調器和測溫節(jié)點進行綁定操作。接下來測溫節(jié)點進入查詢狀態(tài)，而協(xié)調器則一直處于收發(fā)狀態(tài)，當監(jiān)控中心有數據采集命令或控制命令傳向測溫節(jié)點時，協(xié)調器將暫時把屬于自己測溫節(jié)點的數據保存在緩沖區(qū)中，測溫節(jié)點每隔一定時間向協(xié)調器查詢是否有屬于自己的數據，若有，則取回數據執(zhí)行相應的操作；若無，則進入下一輪查詢狀態(tài)。
圖5 協(xié)調器節(jié)點流程圖
結語
本系統(tǒng)采用ZigBee和GPRS無線通信方式相結合的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現無線化、遠程化。測溫節(jié)點的ZigBee采用CC2530模塊，不再需要其他處理器，不但降低了系統(tǒng)的成本，也大大降低了系統(tǒng)的結構和功耗，ZigBee無線傳輸網絡可以實現主控模塊與傳感器節(jié)點之間的數據傳輸，GPRS網絡解決了ZigBee的短距離傳輸局限性，實現遠程無線監(jiān)控。