基于ZigBee和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸的電機網(wǎng)絡(luò )溫度監控系統設計

引言

很多工礦企業(yè)用到多種大功率電機，如抽風(fēng)機、提升機、傳輸機等。這些電機大多是長(cháng)時(shí)間連續運行的，而且現場(chǎng)壞境復雜，電機很有可能會(huì )遇到過(guò)載、絕緣局部損壞等情況，如果電機出現異常情況沒(méi)有時(shí)發(fā)現而繼續運行，會(huì )直接引起電機溫度變化，時(shí)間過(guò)長(cháng)就可能會(huì )造成電機及相關(guān)設備損壞，產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。實(shí)時(shí)監測這些電機的溫度可以間接的監測電機的運行狀態(tài)。本文提出了一種采用數字傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)監控電機各點(diǎn)溫度，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )與GPRS網(wǎng)絡(luò )對接將信息傳輸到監控中心的智能溫度監測系統，這套系統避免了有線(xiàn)傳輸系統的線(xiàn)路鋪設，而且解決了ZigBee技術(shù)智能進(jìn)行短距離傳輸的問(wèn)題，使用GPRS技術(shù)實(shí)現遠程監控。

ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)

ZigBee技術(shù)具有低功耗和短距離傳輸的特點(diǎn)。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，可以持續供電達一年。ZigBee技術(shù)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(wù)。根據網(wǎng)絡(luò )中承擔任務(wù)的不同，網(wǎng)絡(luò )設備可以分為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、網(wǎng)絡(luò )路由器和網(wǎng)絡(luò )終端設備。ZigBee網(wǎng)絡(luò )根據應用的需要可以組織成星形網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )和簇狀網(wǎng)絡(luò )3種拓撲結構。

GPRS是在現有的GSM網(wǎng)絡(luò )基礎上發(fā)展起來(lái)的一種分組交換和傳輸方式，在嵌入式系統中應用非常廣泛。它的基本功能是在移動(dòng)終端與標準數據通信網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于遠程監控系統。

系統的原理及結構

本系統為基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器、利用GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸匯總節點(diǎn)數據的完整無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如圖1所示）。網(wǎng)絡(luò )采用星型拓撲結構。

圖1 電機溫度監測系統的組成結構

主站的工控機通過(guò)串口與GPRS模塊通信，在電機網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)需要監測的電機上安裝溫度傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )易于擴展，當有其他需要測溫的點(diǎn)增加時(shí)，ZigBee具有自組網(wǎng)功能，在上電時(shí)會(huì )自動(dòng)監測到新增的測溫節點(diǎn)。

當溫度傳感器檢測溫度信號后，經(jīng)內含ZigBee傳感器節點(diǎn)RFD模塊處理后得到數據信息，然后協(xié)調器節點(diǎn)ZigBee FFD模塊將數據信息打包處理，通過(guò)RS232與GPRS模塊相連，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據信息傳輸至監控中心，監控中心可將信息實(shí)時(shí)顯示，并且具有存儲、查詢(xún)、報警等功能。

系統硬件電路設計

測溫節點(diǎn)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(xiàn)的傳輸方式的數字式傳感器，使節點(diǎn)體積小、功耗低和外圍電路簡(jiǎn)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(gè)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(hù)可使用片上所有資源?？煞奖愕膶?shí)現高性?xún)r(jià)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。

測溫節點(diǎn)電源采用兩節1.5V干電池提供，CC2530采用休眠和定時(shí)喚醒模式，大大降低了功耗，延長(cháng)電池壽命。

測溫節點(diǎn)結構圖如圖2所示。

圖2 測溫節點(diǎn)結構圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)設計

ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)設計如圖3所示，GPRS模塊采用天津菲利科電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FK21G系列工業(yè)級GPRS無(wú)線(xiàn)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(wǎng)遠程無(wú)線(xiàn)透明數據傳輸設備，利用公用GPRS網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入功能，并支持永遠在線(xiàn)。內置原裝進(jìn)口高性能西門(mén)子GPRS芯片，采用雙看門(mén)狗設計，支持工業(yè)標準RS232、RS485和USB接口。該產(chǎn)品已廣泛應用于工業(yè)監控、智能電網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)抄表、能源監控、交通物流等物聯(lián)網(wǎng)多個(gè)領(lǐng)域。GPRS模塊通過(guò)串口RS232與CC2530相連。

圖3 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器結構圖

系統軟件設計

上位機監控軟件

本系統采用北京亞控公司開(kāi)發(fā)的組態(tài)王上位機的組態(tài)軟件，監控界面包括各分站分布及運行情況查詢(xún)、數據通信、數據處理和報表處理四個(gè)子系統。