基于CC2530的龍門起重機應力多點巡回監測系統研制

徐瑞芬

摘 要：文章介紹了一種基于CC2530的龍門起重機應力多點巡回監測系統研制，該系統采用CC2530為核心處理單元，以協調器結點和各電阻式應變傳感監測結點組成數據采集網絡，實時采集龍門起重機不同部件的多點應力，當應力超過閾值時第一時間向用戶發送警報，從而實現龍門起重機設備的實時監測和管理。

關鍵詞：CC2530;龍門起重機;監測系統;數據采集網絡

0 引言

“物聯網”是物物相連的互聯網，最初是在1999年由美國麻省理工學院提出的，是在互聯網上延伸和擴展的一種網絡技術。物聯網主要解決物體與物體、人與物體、人與人之間的互聯，通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息，按照約定的協議與互聯網結合形成一個巨大的網絡，達到了物體與物體、物體與人通過網絡相連接，以實現精準定位、智能識別、高效監管等功能。利用物聯網技術對工業領域中的龍門起重機應力多點巡回監測系統進行研制，以CC2530芯片為控制芯片，實時采集龍門起重機設備不同部件的受力情況，實現多點測量;通過ZigBee技術與計算機通信，解決了受力測量中多點分布的問題，并由計算機實現對龍門起重機受力的集中監視與管理。

1? ? 龍門起重機安全監測系統的現狀

龍門起重機使用頻率高、起重量大，確保其安全可靠尤為重要。近年來龍門起重機事故多發基本上都與限載器不能正常工作有關。起重機行業一旦出現事故，作為生產售后服務保障部門并不能快速準確地得到故障信息，坐等用戶上報，再派員查看調查后才能提供維修服務，無法實現起重機不同部件應力的實時采集、監視與管理。如何能運用現代信息技術，快速得到起重機的工作狀況，及時為用戶提供服務，在當前的信息化時代也成為一個迫切需要解決的問題。因此研制一種龍門起重機應力多點巡回監測系統，實現對龍門起重機應力的實時測量與控制運算，實時排查危險應力點，并提供顯示信號與控制信號，正好可以實現起重機受力的實時采集、集中監視與管理。

2? ? 龍門起重機應力多點巡回監測系統的組成

基于CC2530的龍門起重機應力多點巡回監測系統的結構如圖1所示[1]，主要包括數據采集網絡（傳感結點、協調器結點）、上位機、應用平臺（Web服務器、智能手機）等[2]。

圖1中協調器結點通過ZigBee技術，以自己為中心與各傳感結點建立一個星形數據采集網絡，采集網絡中傳感結點主要負責采集龍門起重機不同部件的多點應力信號，通過ZigBee技術將信號發送給協調器結點。整個系統結構中的上位機作為數據采集網絡和Web服務器的連接紐帶，一方面上位機通過串口與數據采集網絡中的協調器結點相連，負責處理協調器結點發來的應力數據。另一方面通過網絡將數據發送到Web服務器，以便用戶實時查看，當龍門起重機的應力超過閾值時，上位機會向用戶的手機第一時間發送警報信息。

2.1? CC2530芯片模塊

本系統選擇CC2530芯片模塊。CC2530 相當于一個完全集成的、高性能的RF收發器的8051微處理器，8KB的RAM，32/64/128/256KB閃存，以及其他強大的支持功能和外設。CC2530提供了101DB的鏈路質量，優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，4種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設集—包括2個USART、12位ADC和21個通用的GPIO。優秀的RF性能、選擇性和業界標準增強8051MCU內核，支持一般的低功耗無線通信。CC2530可以應用于遠程控制、智能家居、醫療、工業等領域。

2.2? 電阻式應變傳感監測結點

本系統采用的是電阻式應變傳感監測結點。為了提高監測敏感性，將電阻應變片粘貼到彈性體上，再將彈性體安裝到龍門起重機不同部件上。在應力的作用下，電阻應變片會發生彈性變形。隨著電阻應變片發生變形，其對應的阻值發生變化，或增大或減小，再把這一電阻變化經相應的測量電路轉換為電壓信號，經過ADC 將電壓信號轉換為數字，就完成了由應力引起的電阻應變片的變形，再由電阻應變片的變形轉為電阻值的變化，再轉為相應的龍門起重機應力數據的過程。當應力超過設定的閾值時，系統通過報警模塊第一時間向用戶發送報警信號。從應變片到形變量數字化再到數據處理，形成了一個應變傳感監測結點，可以分布在龍門起重機的不同部件[3]。

2.3? 協調器結點

一個系統只有一個協調器結點，協調器結點作為整個系統的管理組織者，功能是作為一個中心結點去收集、管理整個系統的信息。本系統的協調器結點以自己為中心加入各電阻式應變傳感結點的星形數據采集網絡，該星形數據采集網絡采用ZigBee協議，它在收發數據時采用的是數據幀形式;協調器結點接收到傳感結點發送的數據幀后，進行拆分，從中讀取龍門起重機的應力數據，根據預設的串口協議，發送給上位機。

2.4? 上位機

上位機是整個系統的一個重要組成部分，擔負著管理、控制、維護和用戶界面操作的重任，它與協調器結點連接。

本系統分布了多個傳感結點，上位機根據多個傳感結點采集的龍門起重機應力數據計算平均值，以此提高系統發送報警信息的準確度。當平均值低于設定的閾值，上位機會將正常的數據上傳到Web服務器，用戶可以實時查看。相反，如果平均值高于設定的閾值，上位機在給Web服務器發送數據的同時，通過移動通信模塊第一時間向用戶發出警報[4]。

3? ? 龍門起重機應力多點巡回監測系統的關鍵技術

3.1? ?ZigBee技術

本系統采用ZigBee 技術將數據采集網絡采集到的應力數據發往上位機，在上位機進行數據的存儲和分析。

ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術和藍牙主機的技術，它是IEEE802.15.4協議的代名詞。ZigBee的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式。ZigBee主要應用在短距離并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。與藍牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。ZigBee具有強大的組網能力，有3種網絡拓撲，即星形網絡、樹形網絡和網狀網絡。ZigBee技術的3種網絡拓撲結構各有優勢。由于ZigBee技術具有成本低、組網靈活等特點，可以嵌入各種設備，在物聯網中發揮重要作用。其應用的領域有PC外設、消費類電子設備、家庭內智能控制、玩具、工控（監視器、傳感器和自動控制設備）等非常廣闊的領域。

3.2? 數據采集網絡

數據采集網絡主要功能是采集、獲取相關信息。它是運用傳感器等數據采集模塊從被測設備上采集讀取相應的信息，并作保存。采集的信息作為后面使用、分析、處理。本文所研制的龍門起重機應力點巡回監測系統的數據采集網絡是以協調器節點為中心，由多個傳感節點所組成的，可以準確采集龍門起重機不同部件多點應力，進行實時監控和預測性維護。

4? ? ?結語

本文研制了一種基于CC2530中ZigBee協議的龍門起重機應力多點巡回監測系統，可以實時監測龍門起重機的應力載荷。系統采用以協調器結點為中心，加入多個電阻式應變傳感監測結點組成龍門起重機應力載荷的數據采集網絡，將采集到的信息傳輸到上位機進行處理。上位機在龍門起重機應力載荷數據上傳到Web服務器的同時，可以在應力載荷超過閾值時通過移動通信模塊直接向用戶發送警報。通過實驗調試和實踐驗證，該龍門起重機安全監測系統基本達到了設計要求，實現了對龍門起重機應力的實時測量與控制運算，實時排查危險應力點，并提供顯示信號與控制信號，實現了實時、精準、高效的監管。

[參考文獻]

[1]張鵬，秦飛舟.基于ZigBee 技術的室內可燃氣體監測系統[J].電腦知識與技術，2015（27）：204-205.

[2]蔣耘晨，劉秋麗，楊明.基于ZigBee 技術的天然氣聯合站監控系統設計[J].無線電通信技術，2007（1）：56-58.

[3]郭二輝.一種電阻式應變傳感器的數據處理方法[J].智能處理與應用，2019（9）：82-83.

（編輯 王雪芬）