基于ZigBee无线传感器网络的起重机监控系统

摘 要： 结合ZigBee无线通信技术，提出一种应用于起重机监控的无线传感网络系统架构。该方案网络节点硬件电路以MC9SDG128为控制器、CC2530为射频收发器，详细规划了网络中节点硬件和软件设计，并介绍上位监控系统。该系统具有低成本、低功耗、易扩展、安全性高等特点，能实时监控起重机的运行状况，可广泛应用于起重机监控系统。
关键词： 无线传感器网络；ZigBee节点；无线通信；起重机监控

随着现代科学技术的迅速发展、工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。由于起重机属于特殊设备，机器的老化和磨损对操作的安全性影响较大。目前，越来越多的起重机上配备有专用监控器，通过监控起重机运行的基本参数，就可以获悉当前起重机运行状况、剩余使用次数等信息，以利于操作人员及时地进行部件检修和维护，从而有效地防止事故发生。设计一套先进的、方便使用的远程监控系统，对于实现生产生活的安全、提高监控质量、实现科学有效的管理都具有十分重要的意义。但是，传统的有线监控网络只能沿着固定的线路传输数据,传输介质的架设不可避免地具有破坏建筑，存在检修困难、扩展困难、安装维护费用高的弊端。为此，本文设计了基于ZigBee无线传感器网络的监控方案，较之传统的方案有很大的改进。所谓无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，数据通过无线通信的方式进行传输[1-3]。
1 系统总体方案
基于ZigBee无线传感器网络的起重机监控系统由现场监控节点（终端节点）、路由节点、协调器节点和本地监控中心构成，该网络能覆盖整个工厂所有的监控单元，构成一个严密的、全方位的、立体的监控体系。其系统总体结构如图1所示。系统中各监控节点采集各种信号参数，并且将数据通过射频发送器发送出去。路由节点是信息的中继站，负责将距离协调器较远的终端节点的信号传递给协调器。网络协调器负责监控网络的建立、管理和维护，如为新加入的设备分配网络地址、节点的加入和离开等，协调器也是所有节点信息的汇聚点，负责将收到的信息通过串口向局域监控站的PC机发送，在PC机上就可以通过监控软件实现对终端节点的实时查询。

2 硬件设计
2.1 协调器节点电路
协调器节点电路选用ARM 9系列的S3C2440微处理器为核心，加以相应的外部扩展，实现程序运行的基本环境。外部扩展由几部分组成：(1)存储模块：Nand Flash存储器、SDRAM 存储器、SD卡存储器；(2)对外通信接口模块：RS232串行口、ZigBee无线通信模块。图2所示为系统硬件结构图。

Nand Flash存储器功能：存放用户编写的启动程序、操作系统内核以及应用程序。本文采用256 MB的K9F2G08 Nand Flash存储器。
同步动态随机存储器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)功能：使用SDRAM不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在系统运行时，所有的程序和数据大部分是在SDRAM中与微处理器和外围设备交互，所以SDRAM的速度对于整个系统的运行速度有着至关重要的影响。本文采用1片HY57V561620芯片作为外扩SDRAM。
SD卡存储器功能：保存监控系统实时采集的监控数据。
CC2530模块功能：与终端设备无线通信，负责数据的无线收发。这里嵌入式处理器S3C2440 与ZigBee通信模块CC2530的通信方式通过SPI方式实现，处理器S3C2440充当SPI主器件，CC2530收发器充当从器件。
2.2 路由器节点电路
路由器节点直接采用ZigBee射频芯片CC2530，其内部有2.4 GHz的RF无线电收发机、适应2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收发器，内存和微控制器。它使用一个高性能和低功耗的8 bit MCU(8051)，具有最大256 KB的可编程闪存和8 KB的RAM，同时包含有12 bit ADC、21个通用I/O、2个UART、4个定时器、AES加密协处理器等。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。微处理器全速工作时，在接收模式下电流损耗约为24 mA，发射模式下电流损耗约为29 mA。
2.3 终端节点电路
无线传感器终端节点由数据采集模块、信号调理模块、数据处理模块、无线通信模块组成。节点硬件结构框图如图3所示。数据采集模块主要由重力传感器、电流传感器与温度传感器构成，传感器单元对工厂监控环境内温度进行采集，重力传感器则将重物的物理量转换为相应电信号。信号调理单元电路将采集到的信号进行调理后送至数据处理模块。