基于ZigBee的鋼絲繩生產(chǎn)扭矩報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈慶，吳曉，沈杰，申冰冰

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通　226019）

基于ZigBee的鋼絲繩生產(chǎn)扭矩報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈慶，吳曉，沈杰，申冰冰

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通226019）

本文針對(duì)工業(yè)鋼絲繩生產(chǎn)過程，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的鋼絲繩生產(chǎn)扭矩報(bào)警系統(tǒng)，包括測(cè)量變送、無線傳輸、控制、輸入顯示、報(bào)警、語音等模塊。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制與生產(chǎn)機(jī)械分離，能按照操作人員的設(shè)定實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警，并具備語音提醒功能。本設(shè)計(jì)的有益效果是遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，一次設(shè)定分級(jí)報(bào)警，真人發(fā)聲提醒，具有人性化。試驗(yàn)表明此系統(tǒng)的可行性較高，使用方便，有著廣泛的應(yīng)用前景。

鋼絲繩；扭矩監(jiān)測(cè)；手持式；分級(jí)報(bào)警；語音

扭矩監(jiān)測(cè)在工業(yè)鋼絲繩生產(chǎn)過程中應(yīng)用廣泛［1-3］。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)扭矩變化情況，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩繞制過程中的異常工作狀況，從而采取控制措施，對(duì)于預(yù)防鋼絲繩過松、過緊，對(duì)減少次品率和提高工作效率具有重要的意義。

然而，目前現(xiàn)有的工廠鋼絲繩生產(chǎn)設(shè)備上的測(cè)量報(bào)警裝置靠近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，一般不支持分級(jí)設(shè)定預(yù)值，不具備語音模塊，操作人員使用不便，影響了生產(chǎn)的效率。因此企業(yè)迫切需要一種鋼絲繩生產(chǎn)用手持式扭矩報(bào)警裝置以克服此類不足。

1　總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由檢測(cè)部分和手持部分組成。檢測(cè)部分包括無線發(fā)送模塊和扭矩測(cè)量變送模塊。安裝于生產(chǎn)機(jī)械上的扭矩傳感器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)與手持設(shè)備通訊，手持設(shè)備與上位機(jī)之間進(jìn)行無線通訊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中扭矩測(cè)量變送模塊將扭矩傳感器檢測(cè)的扭矩值變送后通過ZigBee無線模塊發(fā)送給手持部分。手持部分包括主控模塊，彩色觸摸屏輸入、顯示模塊，蜂鳴器報(bào)警模塊，語音人聲播報(bào)模塊，無線接收模塊。其中無線接收模塊采用CC2530 ZigBee片上無線模塊，將檢測(cè)模塊傳輸來的數(shù)值發(fā)送給主控單片機(jī)STM32F103進(jìn)行處理。彩色觸摸屏輸入分級(jí)預(yù)設(shè)值及顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)扭矩值。語音模塊選用SYN6288語音芯片，由主控單片機(jī)控制在扭矩到達(dá)預(yù)設(shè)定值時(shí)語音人聲播報(bào)，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)具體實(shí)施如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

安裝于生產(chǎn)機(jī)械上的專用扭矩傳感器［4］將實(shí)時(shí)扭矩值測(cè)量變送成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，其流經(jīng)160歐精密電阻轉(zhuǎn)變成0～3.3 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，輸入CC2530芯片的P0.6口，通過其自帶的12位ADC模塊采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其作為EndDevice，運(yùn)用Z-stack協(xié)議棧程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送出去［5］。

2.2無線傳送模塊

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4的一種新興近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，ZigBee的這些特點(diǎn)決定了其非常適合應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域?qū)?huì)有更大的發(fā)展空間。

圖2　具體實(shí)施方案

CC2530是一種真正的系統(tǒng)芯片解決方案［7-8］。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，及對(duì)低成本、低功耗的要求。CC2530在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，它使用1個(gè)增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有32、64和128 kB 3種可編程閃存和8 kB的 RAM，還包含8～14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳，只需要很少的外圍元器件就可構(gòu)成 ZigBee節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27或25mA。

手持式監(jiān)控裝置上同時(shí)安裝有CC2530芯片，其作為Coordinator，運(yùn)用Z-stack協(xié)議棧程序接收各個(gè)下位ZigBee發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，經(jīng)其自帶的8051內(nèi)核單片機(jī)通過串口發(fā)送給主控STM32F103單片機(jī)［9-11］。

2.3控制系統(tǒng)

主控芯片單片機(jī)選用STM32F103。STM32F103是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3處理器核的微控制器［12-13］。Cortex-M3是基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。它是專門為在微控制器系統(tǒng)、汽車電控系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體。STM32F103微控制器采用了先進(jìn)的Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有豐富的性能出眾的片上外設(shè)，包括16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、16位定時(shí)器、USART接口、CAN接口（2.0B）和USB2.0全速接口（12 Mbps）等。本設(shè)計(jì)利用STM32F103自帶的串口功能，實(shí)現(xiàn)扭矩值的寫入與讀出［14］。

2.4語音播報(bào)，報(bào)警模塊

系統(tǒng)語音播報(bào)模塊采用北京宇音天下公司出品的中高端TTS（文本到語音）芯片SYN6288［15］。該芯片支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE內(nèi)碼格式的文本。語音合成效果清晰、自然、準(zhǔn)確。芯片較強(qiáng)的中文處理能力使得誤報(bào)的可能性大大降低。利用其內(nèi)置的聲音提示音，使得語音播報(bào)效果更加自然。

STM32F103單片機(jī)通過自帶的USART模塊將預(yù)先寫在芯片F(xiàn)LASH中的語音文字信息通過串口發(fā)送給SYN6288芯片轉(zhuǎn)碼驅(qū)動(dòng)喇叭模擬真人發(fā)聲。

2.5數(shù)據(jù)輸入，顯示模塊

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入，顯示模塊采用電容觸摸液晶屏。TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器。TFT-LCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡(jiǎn)單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)象素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。

STM32F103單片機(jī)控制TFT-LCD輸入時(shí)UI界面和顯示時(shí)UI界面，顯示示意圖如圖3所示。

圖3　分級(jí)顯示模塊

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

按下開始鍵，系統(tǒng)初始化，操作人員根據(jù)提示依次輸入第一級(jí)扭矩值，第二季扭矩值，第三季扭矩值，輸入完成后按下確定鍵，系統(tǒng)開始工作。微控制器將下位生產(chǎn)機(jī)械上傳輸上來的扭矩值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值相比較，到達(dá)預(yù)設(shè)第一級(jí)時(shí)蜂鳴器蜂鳴報(bào)警，語音模塊真人語音發(fā)聲提示，操作人員作出相應(yīng)的操作。第二、第三級(jí)報(bào)警同上所述。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該鋼絲繩生產(chǎn)扭矩報(bào)警系統(tǒng)的性能，我們搭建了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中用滑動(dòng)變阻器模擬扭矩值輸入，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的組織以模擬扭矩值的實(shí)時(shí)變化。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)達(dá)到上述設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)平臺(tái)

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議和微控制器的鋼絲繩生產(chǎn)扭矩報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)機(jī)械分離，能按照操作人員的設(shè)定實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警，并具備語音提醒功能。具有組網(wǎng)容易，人性化，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為車間現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)傳動(dòng)軸扭矩值提供了可能性，對(duì)生產(chǎn)安全，生產(chǎn)人性化的提高具有重要意義！在未來的工作中，還需要解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)防電磁干擾等問題。

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Design of the alarm system for steel wire rope production based on ZigBee

SHEN Qing，WU Xiao，SHEN Jie，SHEN Bing-bing
（College of electrical engineering，Nantong University，Nantong，226019，China）

In this paper，a torque alarming system based on ZigBee is designed，which is characterized by the measurement of transmission，wireless transmission，control，input display，alarm，voice module.The beneficial effect of this design is to stay away from the production site，a set of hierarchical alarm，real voice reminder，with human nature.Experiments show that this system is feasible and easy to use，and has a wide range of applications.

steel wire rope；torque monitoring；hand held；hierarchical alarm；voice

TN98

A

1674－6236（2016）16-0067-03

2015-12-29稿件編號(hào)：201512298

2015年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 （201510304046Z）；南通大學(xué)2012年實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012C05）“系統(tǒng)集成綜合實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51506101）

沈慶（1993—），男，江蘇蘇州人。研究方向：建筑電氣與智能化。