趙翊杰， 董增壽， 楊 勇

(太原科技大學 智能網(wǎng)新技術研究所，山西 太原 030024)

0 引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計，在所有機械設備故障中，起重機械故障占比高達20 %[1]，是特種設備中事故發(fā)生率最高的一種，因此，加強對塔機工況數(shù)據(jù)的實時采集，對實現(xiàn)安全監(jiān)控，減少事故的發(fā)生有著重大的意義。目前，有多種方法可以實現(xiàn)對塔機的安全監(jiān)控：采用數(shù)據(jù)總線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸[2]，但布線復雜；采用通用分組無線業(yè)務(general packet radio service,GPRS)進行通信[3]，但功耗和成本高；利用單片機進行數(shù)據(jù)處理[4]，當數(shù)據(jù)量很大時會出現(xiàn)延時。

本文在已有研究的基礎上，結合ARM—STM32平臺，設計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控方案，即由安裝在塔機各個關鍵部位的傳感器對塔機的工況數(shù)據(jù)進行實時的采集，由單片機進行數(shù)據(jù)處理，通過ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調器端，在ARM終端進行存儲和顯示。該系統(tǒng)具有實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、人機界面交互等功能，能及時有效地監(jiān)控塔機的工作情況。

1 系統(tǒng)總體設計

如圖1,基于ZigBee的塔機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分三部分：采集端、協(xié)調器和ARM監(jiān)控端。采用的傳感器類型為稱重傳感器、起升高度傳感器、回轉角度傳感器以及風速傳感器。數(shù)據(jù)經(jīng)過采集模塊處理后由ZigBee模塊的射頻發(fā)送器發(fā)送。協(xié)調器是各個終端節(jié)點的匯聚點[5]，將各節(jié)點采集到的信息通過UART口傳送給ARM端，ARM監(jiān)控端將數(shù)據(jù)的存儲以及通過界面將各工況參數(shù)顯示出來。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結構

2 硬件設計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設計

數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集單元、信號處理單元以及數(shù)據(jù)發(fā)送單元組成，其硬件結構如圖2所示。數(shù)據(jù)采集單元主要為采集塔機工作參數(shù)的各類型傳感器；信號處理單元主要將采集到的信號進行A/D轉換，數(shù)據(jù)臨時存儲和任務調度[6]；數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要負責加入ZigBee網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)緩沖、加密發(fā)送給協(xié)調器。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端結構

2.2 ZigBee模塊設計

本文ZigBee[7]節(jié)點采用的芯片為德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點[8]，完全滿足本系統(tǒng)設計對于ZigBee的要求。

2.3 ARM監(jiān)控終端設計

本文選用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103芯片[9]作為主控制器，能夠很好地滿足嵌入式領域對高性能、低功耗、實時性的要求。系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過ZigBee協(xié)調器進行接收，協(xié)調器通過UART串口與ARM板進行連接，ARM上的LCD顯示屏實時顯示采集的工況參數(shù)，同時將數(shù)據(jù)存儲到SD卡中。監(jiān)控終端的總體結構如圖3所示。

圖3 終端總體結構

ZigBee與ARM板連接時，協(xié)調器上的CC2530的P0口配置為外設I/O模式，P0口的2～5引腳分別映射為UART模式下的RX，TX腳，并分別連接ARM板子上UART1口的TXD，RXD引腳。UART 通信參數(shù)設定[10]為比特率為115 200 bit/s,數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為1 bit， 校驗位為無，硬件流控制為無。

3 系統(tǒng)抗干擾設計

ZigBee工作時會受到工作在該頻段的其他設備的干擾，其中，WiFi是最主要的干擾源。因此，在ZigBee工作過程中主要考慮如何避免或者減少WiFi的干擾。本文提出了一種基于多信道檢測干擾規(guī)避(multi-channel detection interference avoidance，MDIA)算法，該算法首先通過誤碼率(bit error rate,BER)和丟包率(packet loss rate,PLR)來判斷ZigBee網(wǎng)絡受到干擾的程度，設定門限值，當超過這個值時，系統(tǒng)會進行多信道的檢測，直到找到合適的信道為止。

3.1 干擾檢測流程

針對ZigBee設備在工作中面臨的干擾問題，本文研究了原有的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突規(guī)避(carrier sense multiple access/contention avoidance,CSMA/CA)機制，并在此基礎上提出MDIA算法。圖4為MDIA算法流程。系統(tǒng)首先會判斷關鍵節(jié)點的BER值，如果值過高導致節(jié)點無法正常通信，此時設備會檢查數(shù)據(jù)包的丟包率，然后根據(jù)結果決定是否開啟鏈路質量檢測，若鏈路質量不佳，則對信道進行進一步掃描，根據(jù)接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)的平均值來判斷設備是否正受到電磁干擾。

圖4 干擾檢測流程

3.2 多信道檢測

通過研究對比ZigBee和WiFi子信道分布如圖5，可以看到，802.15.4下的ZigBee設備可以使用的信道為11～26共16個信道，每個子信道的帶寬為5 MHz，同時，WiFi工作在1，6，113個子信道，每個子信道帶寬為22 MHz。可以看到，一個WiFi信道與4個ZigBee信道重疊[11]，因此，工作在這12個子信道內(nèi)的ZigBee設備最容易受到WiFi干擾，丟包率也最為嚴重。但ZigBee子信道上的15，20，25和26信道，卻并沒有WiFi子信道分布，即這4個ZigBee子信道上的WiFi信號能量將會很弱，受到的干擾也較小[12]。如果ZigBee在檢測到干擾之后能夠優(yōu)先檢測受WiFi影響最小的15，20，25，26信道，如果這4個信道不滿足條件再掃描其他信道，不但可以快速找到合適的信道，同時降低了干擾的影響。

圖5 WiFi與ZigBee子信道分布

對于剩余的信道，MDIA算法采用的是“左右輪詢”的方式，ZigBee的信道為11～26，除去第一步中優(yōu)先檢測的15，20，25，264個信道，然后將信道11,26相連接，使得剩余的12個信道形成循環(huán)。算法會首先檢測當前信道左側的信道，若PLR的值低于門限值，則說明該信道可用，此時系統(tǒng)跳轉到該信道繼續(xù)工作。反之，算法會檢測當前信道右側的信道。算法檢測的原則為由近及遠，成對進行。系統(tǒng)的跳頻掃描在這個環(huán)上進行。假設當前系統(tǒng)使用的是信道13，當發(fā)生電磁干擾時，算法會首先掃描信道12，然后掃描信道14，如果信道都不可用，系統(tǒng)會緊接著掃描11,16信道(信道15在第一步中被優(yōu)先掃描)，假設此時還沒有合適的信道，系統(tǒng)就會檢測信道11左側的信道24，然后右側為信道17，以此類推，最后整個信道的檢測順序為：12,14;11,16;24,17;23,18;22,19;21。和傳統(tǒng)依次遞增檢測的方式相比，“左右輪詢”法能夠讓系統(tǒng)更快找到WiFi信號干擾較弱的頻段，從而可以快速轉換信道，提升系統(tǒng)性能。

3.3 模型搭建

在前文分析的基礎上，本文構建了系統(tǒng)模型，如圖6所示，采用MATLAB/Simulink搭建，模擬了1路ZigBee信號，默認信道為13，模擬了2路WiFi干擾信號，占用信道1和信道6，兩者信源都是由伯努利(Bernouli)信號發(fā)生器隨機產(chǎn)生。本文中算法主要通過MATLAB代碼實現(xiàn)，并通過代碼控制Simulink模型得出相應的結果。

圖6 系統(tǒng)模型

3.4 實驗結果分析

圖7所示為誤碼率的仿真結果，設定干擾時間開始于0.2 s，結束于0.7 s，ZigBee數(shù)據(jù)包的個數(shù)為2 048，每個數(shù)據(jù)包的大小為1 024 bit。通過圖中的對比可以看出，在初始的0.2 s內(nèi)，由于沒有受到干擾，系統(tǒng)均可以正常運行。0.2 s出現(xiàn)干擾時，沒有MDIA算法的設備誤碼率迅速上升到接近為100 %，表明此時系統(tǒng)已經(jīng)無法正常工作。而采用改進算法MDIA的設備，在受到干擾的0.1 s內(nèi)，誤碼率會有上升，達到門限值之后，設備檢測到干擾并開始進行信道選擇，之后從0.3 s開始，誤碼率再次降到正常水平，表明此時設備已經(jīng)找到合適的信道并實現(xiàn)轉換，繼續(xù)正常工作。

圖7 PLR分析

圖8所示為有無MDIA算法的設備在受到干擾時數(shù)據(jù)吞吐量的對比結果，干擾時間設為0.2～0.7 s。可以看出，在WiFi干擾下，沒有MDIA算法的的設備吞吐量幾乎為0 kbps，此時設備已經(jīng)不能正常工作。而采用MDIA算法的設備先進行干擾的檢測和信道的轉換，因而在一開始吞吐量也幾乎為0 kbps，在跳轉到新的信道之后，設備吞吐量回歸正常值。

圖8 吞吐量分析

4 結束語

本文根據(jù)塔機安全監(jiān)控的需要，設計了一種基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對ZigBee設備在工作中面臨的WiFi干擾的問題，本文研究了原有的CSMA/CA算法，并在此基礎上，提出了MDIA算法。該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便、抗干擾能力強、成本低、功耗小的特點，具有重要的實際意義和一定的運用推廣價值。