黃學(xué)飛，李兆飛，諸進(jìn)才，亓?xí)员?/p>

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與電子學(xué)院，廣東 廣州 510430）

“花都工學(xué)結(jié)合示范園”是廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院于2009年4月開始建設(shè)的花都工學(xué)結(jié)合基地，占地96畝，共建了7個生產(chǎn)性實訓(xùn)車間，學(xué)院自行投資建有SMT、機加工、數(shù)控加工等3個車間。隨著“花都工學(xué)結(jié)合示范園”的快速發(fā)展，學(xué)院管理的設(shè)備日益增多，設(shè)備的管理與維護(hù)的工作也越來越大，無法及時掌握設(shè)備的利用率以及現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況，因此難以保證及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。若用人工值守方式，其成本較高，因此，探索建立技術(shù)先進(jìn)、功能強大的監(jiān)控系統(tǒng)來管理與維護(hù)花都工學(xué)結(jié)合示范園設(shè)備正常工作具有重大的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

“花都工學(xué)結(jié)合示范園”生產(chǎn)性實訓(xùn)車間的設(shè)備基本上已安裝固定完畢，傳統(tǒng)的車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號的采集、傳輸和發(fā)送。由于車間設(shè)備多而雜、信號繁多，使綜合布線及檢查維修很不方便，而且工程量大，維護(hù)費用高。為減少系統(tǒng)的工作量，整個車間設(shè)備如果采用無線的方式就可以省掉布線的麻煩?？紤]到當(dāng)前無線信息技術(shù)的現(xiàn)狀，采用ZigBee技術(shù)將是系統(tǒng)的最佳方案。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，傳輸距離在10～75 m的范圍內(nèi)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

整個系統(tǒng)由上位機和下位機兩大部分構(gòu)成。其中，上位機主要是對系統(tǒng)進(jìn)行集中管理、對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理以及對系統(tǒng)的控制。下位機主要是對監(jiān)控信息的采集、上傳以及接收上位機的控制指令對終端設(shè)備進(jìn)行控制。下位機主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備和ZigBee傳輸設(shè)備兩部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)各個監(jiān)控節(jié)點的參數(shù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸模塊發(fā)送到ZigBee傳輸設(shè)備上，同時將接收ZigBee傳輸設(shè)備下發(fā)的控制指令。ZigBee傳輸設(shè)備作為與上位機和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信中間設(shè)備，主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到上位機，同時也接收上位機的控制指令，并把該指令下發(fā)給相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制設(shè)備的運行。具體的車間無線監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

“花都工學(xué)結(jié)合示范園”生產(chǎn)性實訓(xùn)車間的設(shè)備主要有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、加工中心、電火花數(shù)控機床、電火花線切割機床、普通車床以及其他三坐標(biāo)測量機等。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要采集每臺設(shè)備的運行狀態(tài)、報警信號以及輸出控制信號。對于每臺設(shè)備的運行狀態(tài)信息可以采用檢測是否有電流通過進(jìn)行判斷，報警信號則通過機床的報警信號讀出，輸出控制信號主要控制設(shè)備的啟動或停止。由于系統(tǒng)需要將采集到的信號通過ZigBee傳輸模塊上傳到ZigBee傳輸設(shè)備，這就需要一部分硬件電路與ZigBee傳輸模塊連接，并與ZigBee傳輸設(shè)備的ZigBee傳輸模塊進(jìn)行信息交換。為此，控制信息交換的電路采用微芯公司開發(fā)的PIC系列單片機。該單片機采用精簡指令集（RISC）、哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)、二級流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強和簡單易學(xué)等特點，并將大量的資源全部集成在芯片內(nèi)部，包括I/O、存儲器、通信接口等，使系統(tǒng)電路板需要的空間大大簡化，而且一些對高頻通信可能產(chǎn)生的干擾噪聲大大減少，加上可以用電池供電和具有低功耗模式等特點，使PIC系列單片機非常適合應(yīng)用于短距離無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)中。本系統(tǒng)采用了微芯公司的PIC18F4620單片機和TI/CHIPCON公司的CC2420最新無線ZigBee芯片。數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 車間無線監(jiān)控系統(tǒng)方案

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件方案

對于ZigBee傳輸設(shè)備，主要將采集到的信號與上位機交換，所以該ZigBee傳輸設(shè)備必須有一部分硬件電路與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行信息交換，這部分硬件電路采用ZigBee傳輸模塊與控制部分的PIC18F4620單片機進(jìn)行相連。同時有一部分硬件電路與上位機進(jìn)行信息交換。這部分電路采用GPRS通信模塊與控制部分的PIC18F4620單片機進(jìn)行相連。GPRS模塊選擇法國WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403，該模塊符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，下載速度為5 316 kb/s，上傳速度為2 618 kb/s。模塊提供一個符合V24協(xié)議的異步串行通信接口，支持加密算法，集成射頻電路和基帶于一體，性能穩(wěn)定，可以快速、可靠地傳輸。Q2403和PIC18F4620單片機通過串行接口相連接，如圖3所示。

圖3 ZigBee傳輸設(shè)備硬件方案

該無線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r地響應(yīng)上位機發(fā)出的控制命令，相應(yīng)的控制點按照上位機發(fā)來的命令完成相應(yīng)的任務(wù)。如果上位機沒有向控制點發(fā)送控制命令，控制點則按系統(tǒng)設(shè)置好的時間間隔，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)周期性地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，由GPRS模塊實時地傳送到上位機中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分由下位機與上位機兩部分組成。其中下位機軟件主要是采集數(shù)據(jù)，上位機軟件主要是管理和控制系統(tǒng)。

下位機軟件主要由ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備和ZigBee傳輸設(shè)備上的軟件組成。ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)的采集和對設(shè)備進(jìn)行控制。ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備上電初始化后，首先判斷是否有上位機發(fā)送的控制指令，如有則先執(zhí)行上位機發(fā)的控制指令，然后ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備則按照所設(shè)置的時間間隔進(jìn)行定時的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)在ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備的單片機上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果數(shù)據(jù)發(fā)生了變化則發(fā)送到ZigBee傳輸設(shè)備上，由ZigBee傳輸設(shè)備發(fā)送到上位機，并保存在服務(wù)器里。ZigBee傳輸設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)交換的中介作用，既要通過GPRS通信模塊接收上位機的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸模塊下發(fā)給相應(yīng)的ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備，又要通過ZigBee傳輸模塊接收ZigBee每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS通信模塊上傳到上位機。下位機軟件流程如圖4所示。

圖4 下位機軟件流程圖

圖5 上位機軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

上位機軟件主要實現(xiàn)實時監(jiān)控實訓(xùn)車間設(shè)備的運行狀態(tài)、控制相應(yīng)的設(shè)備、管理整個系統(tǒng)的運行和對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。主要模塊包括實時監(jiān)控和報警、設(shè)備運行控制、參數(shù)配置、用戶管理、數(shù)據(jù)分析、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理等功能模塊。如圖5所示。將GPRS和ZigBee技術(shù)應(yīng)用到實訓(xùn)車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，解決了實訓(xùn)車間設(shè)備在管理上的諸多問題，不僅大大減輕了實訓(xùn)車間設(shè)備管理人員的工作量，同時也使學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)能及時了解實訓(xùn)設(shè)備的運行狀況和使用狀況。在該系統(tǒng)中，采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，使該系統(tǒng)具有ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)速度快、成本比較低、功耗比較小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、對參數(shù)能進(jìn)行實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程通信、安裝費用低廉、維護(hù)簡單等特點。該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的通用性和廣闊的發(fā)展前景。

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