基于ZigBee無線傳感網絡的扭矩監測系統的設計

孔祥濤，林明星，周生良，楊文豪

(山東大學機械工程學院，山東濟南250061)

在機械傳動系統中，扭矩是反映系統性能的典型機械量之一，扭矩測試己成為傳動軸開發研究、質量檢驗、優化控制、工況監測和故障診斷等必不可少的內容［1］。應變型扭矩測量技術有成本低、結構簡單、技術成熟等特點，具有廣泛的應用［2］。無線傳感網絡是最近幾年發展起來的多學科高度交叉、知識高度集成的熱點前沿技術，ZigBee技術具有短距離、低功耗、低速率、高可靠性、組網容易等特點［3］。文中設計了一種基于ZigBee技術的傳動軸扭矩監測系統，通過ZigBee技術實現車間現場傳動軸扭矩的無線傳輸，并組建無線傳感網絡，將數據通過RS232串口傳到上位機進行處理顯示并保存數據，在工業現場監控中具有良好的應用前景。

1 ZigBee技術和CC2430芯片

ZigBee技術是基于IEEE802.15.4的一種新興近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，ZigBee的這些特點決定了其非常適合應用于無線傳感網絡中，在工業監控領域將會有更大的發展空間［4］。ZigBee技術的開發利用是基于ZigBee聯盟制定的協議棧來實現的，ZigBee協議的基礎是IEEE 802.15.4，它規定了無線傳感網絡的物理層和MAC層，ZigBee聯盟則定義了網絡層和應用層的標準［5］。

目前很多大的公司為了快速開發ZigBee網絡、縮短開發周期，都在自己公司生產的無線射頻芯片中植入了ZigBee協議，這其中以Texas Instruments公司生產的CC2430無線集成射頻芯片應用最為廣泛［6］。

CC2430是一種真正的系統芯片 (SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，及對低成本、低功耗的要求。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器，它使用1個增強型8051內核，具有32、64和128 kB 3種可編程閃存和8 kB的RAM，還包含8～14位模擬數字轉換器、4個定時器 (Time)、AES128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳，只需要很少的外圍元器件就可構成ZigBee節點。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產;在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27或25 mA［7］。

2 網絡節點的硬件設計

2.1 系統整體方案設計

該系統是基于ZigBee的無線傳感網絡，ZigBee網絡的基本拓撲結構有以下3種:星型網絡、樹型網絡和網狀型網絡，網絡拓撲見圖1［8］。網絡中存在3種節點:協調器節點 (FFD)、路由節點 (FFD)、終端節點 (RFD)，協調器節點主要負責組建網絡、收集網絡中的數據處理顯示以及上傳到上位機;路由節點主要負責維護路由、數據采集以及轉發終端節點數據;終端節點主要負責扭矩值的采集并發送數據。文中采用利于擴展節點和維護網絡結構的樹型網絡來組建傳動軸扭矩監測系統。

整個系統的工作過程為:協調器節點上電初始化后，組建網絡并等待子節點加入網絡，路由節點和部分終端節點上電初始化后申請加入網絡，路由節點開啟路由功能，大部分終端節點最后選擇路由節點加入網絡。網絡組建后，數據采集節點利用傳感器采集扭矩值并通過路由節點轉發到協調器節點進行數據處理并上傳到上位機。

圖1 系統結構及原理

2.2 數據采集節點設計

終端節點和路由節點都是數據采集節點，其硬件電路基本相同，數據采集節點主要由電阻應變片組成的應變電橋、信號調理電路、無線射頻芯片、電源處理模塊等組成，基本結構如圖2。

圖2 數據采集節點基本結構圖

工作原理是:由于傳動軸受力產生變形，而使應變電橋中的電阻值改變，輸出毫伏級的電壓信號，經過信號調理電路的濾波和放大，傳到CC2430芯片進行AD轉換，將數據調制通過天線轉發到協調器進行處理。

電源采用供電時間較長、功率承受高的ICR14500鋰電池，標稱電壓為3.7 V，將兩塊鋰電池并聯延長供電時間。利用TPS61085和TL431芯片將電壓穩定到5 V供應電橋電路和信號調理電路;再利用ASM1117芯片變壓至3.3 V提供給CC2430射頻處理模塊。

應變電橋電路由4片電阻值相同的電阻應變片組成，應變片選用康銅箔制成，靈敏系數高，4片電阻應變片按±45°方向粘貼在實心或空心傳動軸上組成全橋測量電路，如圖3和圖4所示，根據應變與扭矩的計算公式，可得出扭矩值［1］。

對于實心軸:

對于空心軸:

其中:M為扭矩;E為傳動軸材料彈性模量;D為傳動軸外徑，d為傳動軸內徑;μ為傳動軸材料泊松比;K為應變片靈敏系數;W為傳動軸抗扭截面系數;U為電橋勵橋電壓;ΔE為電橋輸出電壓，一般為毫伏級信號。

圖3 電阻應變片的粘貼方式

圖4 全橋式測量電路

圖5 低通濾波和放大電路

為了進一步降低干擾，對AD623的輸出電壓Vout再利用OPA340放大器進行RC有源低通濾波，電路圖見圖6。經過處理后的電壓信號輸入CC2430引腳P0.0進行AD轉換，采用AVDD_SOC引腳電壓作為參考電壓。主控模塊基本外圍電路圖見圖7。

圖6 RC有源低通濾波路

圖7 數據采集節點基本外圍電路

2.3 協調器節點設計

在一個無線傳感網絡中，一般只有一個協調器，負責發起組建網絡，允許子節點加入網絡，接收數據采集節點發送來的數據并上傳至PC機。協調器節點由電源管理模塊、LED顯示模塊、串口轉USB模塊、處理器CC2430通信模塊等組成。電源管理模塊為主協調器節點提供運行所需要的能量，采用持續供電;LED顯示模塊顯示協調器模塊是否組網成功、接收數據、上傳數據等狀態信息;串口轉USB模塊負責轉換CC2430模塊與PC機的通信信號;CC2430通信模塊負責接收和存儲數據采集節點發送來的信息，同時通過串口與PC機進行數據傳輸。協調器節點串口接口設計如圖8所示。

圖8 協調器節點串口電路設計

3 網絡節點的軟件設計

文中Zigbee網絡中，協調器節點是網路中的第一個節點，主要功能是啟動網絡的建立、接收數據等。協調器節點首先執行信道掃描，若發現有合適的信道，為新網絡選擇一個合適的PAN ID然后進入監聽狀態，隨時響應其他節點的入網請求，允許其加入網絡并分配16位短地址，接收數據采集節點傳來的扭矩值處理顯示，再通過串口傳給上位機，圖9是協調器節點的基本流程圖。系統初始化主要是針對協議棧、I/O口、AD模數轉換、UART串口等進行。

圖9 協調器節點基本流程圖

扭矩值采集節點首先是系統初始化，再初始化協議棧，搜尋網絡并發出請求入網指令，加入網絡后，如果是路由節點，并處理路由功能。終端數據采集節點則隨時準備數據采集并發送。圖10分別是路由節點和終端節點的基本流程圖。

圖10 路由和終端節點基本流程圖

ZigBee協議是通過服務原語進行組網通信的。協調器節點采用NLME_NETWORK_FORMATION.request原語來啟動一個新的網絡建立。協調器建立網絡成功后，其他節點就會使用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語檢測是否有網絡存在并申請加入。

數據采集節點扭矩采集采用電橋輸出電壓調理放大后輸入CC2430的P0.0口進行AD轉換，AD轉換的軟件設計見圖11。

圖11 CC2430芯片的ADC進行扭矩采樣

4 配置監測模塊

配置監測模塊采用C#編寫，用于對協調器節點上傳的數據進行保存、顯示。配置監測模塊界面如圖12所示，可以顯示選定節點的當前值、平均值、最大值、最小值，相關函數有:

serialPort1_Initialization();初始化串口

timer1();定時觸發后，發送指令

Torque_calculate_Data();計算扭矩的均值、極值

Torque_save_Data();保存扭矩數據

圖12 配置監測模塊界面

5 結束語

設計了基于CC2430芯片和ZigBee協議的無線傳感器網絡扭矩監測系統，該系統具有組網容易、體積小、抗干擾能力強等優點，為車間現場監測多個傳動軸扭矩值提供了可能性，對生產安全、工人人身安全的提高具有重要意義。系統適用于傳動軸旋轉轉速不是很高的場合，在未來的工作中，需要解決高速旋轉對信號無線傳輸的影響。

［1］郭吉術.無線扭矩監測系統的設計［D］.濟南:山東大學，2012:1－2.

［2］吳伯農，徐康寧.基于SOC的軋制力矩遙測系統的研究［J］.儀表技術與傳感器，2009(5):139 －142.

［3］李偉躍.基于CC2430的無線傳感網絡中協調器的設計［J］.電子設計工程，2011，19(20):133 －135.

［4］楊海軍，李順利，張霖.基于Zigbee技術的棉花加工廠無線傳感器網絡構建［J］.中國棉花加工，2011(3):22－24.

［5］黃曉亮，徐曉輝，宋軍華，等.智能家居系統中無線傳感器網絡的設計［J］.電子設計工程，2011，19(4):35－37.

［6］梁光勝，劉丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee無線網絡節點設計［J］.電子設計工程，2010，18(2):133－135.

［7］郭棟，秦明芝，王偉敏.基于CC2430的ZigBee無線傳感器網絡設計與實現［J］.物聯網技術，2011(1):41－43.

［8］景軍鋒，李嘉琨，王波，等.基于ZigBee技術的無線溫度采集系統［J］.微型機與應用，2009(23):33－35.