基于ZigBee的鋼絲繩生產扭矩報警系統設計

沈慶，吳曉，沈杰，申冰冰

（南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通　226019）

基于ZigBee的鋼絲繩生產扭矩報警系統設計

沈慶，吳曉，沈杰，申冰冰

（南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通226019）

本文針對工業鋼絲繩生產過程，設計了一種基于ZigBee的鋼絲繩生產扭矩報警系統，包括測量變送、無線傳輸、控制、輸入顯示、報警、語音等模塊。該系統實現控制與生產機械分離，能按照操作人員的設定實現分級報警，并具備語音提醒功能。本設計的有益效果是遠離生產現場，一次設定分級報警，真人發聲提醒，具有人性化。試驗表明此系統的可行性較高，使用方便，有著廣泛的應用前景。

鋼絲繩；扭矩監測；手持式；分級報警；語音

扭矩監測在工業鋼絲繩生產過程中應用廣泛［1-3］。實時監測扭矩變化情況，能夠及時發現鋼絲繩繞制過程中的異常工作狀況，從而采取控制措施，對于預防鋼絲繩過松、過緊，對減少次品率和提高工作效率具有重要的意義。

然而，目前現有的工廠鋼絲繩生產設備上的測量報警裝置靠近生產現場，一般不支持分級設定預值，不具備語音模塊，操作人員使用不便，影響了生產的效率。因此企業迫切需要一種鋼絲繩生產用手持式扭矩報警裝置以克服此類不足。

1　總體方案設計

本設計由檢測部分和手持部分組成。檢測部分包括無線發送模塊和扭矩測量變送模塊。安裝于生產機械上的扭矩傳感器通過無線傳感網絡與手持設備通訊，手持設備與上位機之間進行無線通訊。系統總體框圖如圖1所示。其中扭矩測量變送模塊將扭矩傳感器檢測的扭矩值變送后通過ZigBee無線模塊發送給手持部分。手持部分包括主控模塊，彩色觸摸屏輸入、顯示模塊，蜂鳴器報警模塊，語音人聲播報模塊，無線接收模塊。其中無線接收模塊采用CC2530 ZigBee片上無線模塊，將檢測模塊傳輸來的數值發送給主控單片機STM32F103進行處理。彩色觸摸屏輸入分級預設值及顯示當前實時扭矩值。語音模塊選用SYN6288語音芯片，由主控單片機控制在扭矩到達預設定值時語音人聲播報，同時蜂鳴器報警。系統具體實施如圖2所示。

圖1　系統總體框圖

2　硬件電路設計

2.1信號轉換電路

安裝于生產機械上的專用扭矩傳感器［4］將實時扭矩值測量變送成4～20 mA的標準電流信號，其流經160歐精密電阻轉變成0～3.3 V的標準電壓信號，輸入CC2530芯片的P0.6口，通過其自帶的12位ADC模塊采樣模數轉換成數字信號，其作為EndDevice，運用Z-stack協議棧程序將數據發送出去［5］。

2.2無線傳送模塊

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。

圖2　具體實施方案

CC2530是一種真正的系統芯片解決方案［7-8］。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，及對低成本、低功耗的要求。CC2530在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、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、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。CC2530芯片采用0.18μm CMOS工藝生產；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27或25mA。

手持式監控裝置上同時安裝有CC2530芯片，其作為Coordinator，運用Z-stack協議棧程序接收各個下位ZigBee發送上來的數據，經其自帶的8051內核單片機通過串口發送給主控STM32F103單片機［9-11］。

2.3控制系統

主控芯片單片機選用STM32F103。STM32F103是意法半導體公司生產的基于ARM Cortex-M3處理器核的微控制器［12-13］。Cortex-M3是基于ARMv7-M體系結構的32位標準處理器，具有低功耗、少門數、短中斷延遲、低調試成本等眾多優點。它是專門為在微控制器系統、汽車電控系統、工業控制系統和無線網絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域實現高系統性能而設計的，大大簡化了編程的復雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體。STM32F103微控制器采用了先進的Cortex-M3內核結構，具有豐富的性能出眾的片上外設，包括16通道的12位A/D轉換器、7通道的DMA控制器、16位定時器、USART接口、CAN接口（2.0B）和USB2.0全速接口（12 Mbps）等。本設計利用STM32F103自帶的串口功能，實現扭矩值的寫入與讀出［14］。

2.4語音播報，報警模塊

系統語音播報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內碼格式的文本。語音合成效果清晰、自然、準確。芯片較強的中文處理能力使得誤報的可能性大大降低。利用其內置的聲音提示音，使得語音播報效果更加自然。

STM32F103單片機通過自帶的USART模塊將預先寫在芯片FLASH中的語音文字信息通過串口發送給SYN6288芯片轉碼驅動喇叭模擬真人發聲。

2.5數據輸入，顯示模塊

本系統數據輸入，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的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個象素上都設置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態特性與掃描線數無關，因此大大提高了圖像質量。

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

圖3　分級顯示模塊

3　系統軟件設計

本設計的軟件流程圖如圖4所示。

圖4　系統軟件流程圖

按下開始鍵，系統初始化，操作人員根據提示依次輸入第一級扭矩值，第二季扭矩值，第三季扭矩值，輸入完成后按下確定鍵，系統開始工作。微控制器將下位生產機械上傳輸上來的扭矩值與系統預設值相比較，到達預設第一級時蜂鳴器蜂鳴報警，語音模塊真人語音發聲提示，操作人員作出相應的操作。第二、第三級報警同上所述。

4　實驗驗證

為驗證該鋼絲繩生產扭矩報警系統的性能，我們搭建了一個試驗平臺進行了試驗。實驗中用滑動變阻器模擬扭矩值輸入，調節滑動變阻器的組織以模擬扭矩值的實時變化。實驗表明系統達到上述設計要求。試驗平臺如圖5所示。

圖5　試驗平臺

5　結束語

本文設計了基于ZigBee協議和微控制器的鋼絲繩生產扭矩報警系統，該系統實現與生產機械分離，能按照操作人員的設定實現分級報警，并具備語音提醒功能。具有組網容易，人性化，抗干擾能力強等優點，為車間現場遠距離監測傳動軸扭矩值提供了可能性，對生產安全，生產人性化的提高具有重要意義！在未來的工作中，還需要解決生產現場單片機防電磁干擾等問題。

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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：201512298

2015年國家級大學生創新創業訓練計劃項目 （201510304046Z）；南通大學2012年實驗教學改革專項資助項目（2012C05）“系統集成綜合實驗”實驗課程建設；國家自然科學基金青年基金項目（51506101）

沈慶（1993—），男，江蘇蘇州人。研究方向：建筑電氣與智能化。