CNC壓機無線傳感器網關設計

賈凡　焦帥帥

摘要：CNC壓機系統，在設計上采用先進的智能數控技術，配備高精度閉環控制伺服液壓系統、可控模沖模架和智能機械手系統，建立集成各種精確測量傳感器、輔助設備的計算及控制中心，確保生產過程質量精確控制，提高壓制產品的尺寸、形狀和位置精度，實現壓機系統和自動生產線設備數據的連通。

關鍵詞：CNC壓機;傳感器;無線;網關

一、網關節點的特點和功能

1 特點。網關節點作為整個WSN網絡數據的出口，它具有數據吞吐量大，計算能力、存儲能力高的特點。另外，在通信距離方面，網關節點的傳輸范圍要比傳感器節點大得多，以保證數據能傳輸到外網的監控中心。在采用無線網絡作為網關節點與監控中心接口時，網關節點的發射功率應保證其與最近基站的通信。

2 功能。網關節點具有豐富的軟硬件資源。在完成協議轉換的同時，可以承擔組建和管理WSN網絡的許多工作。它具有如下主要功能：①掃描并選定數據傳輸的物理信道，分配WSN內的網絡地址，發送廣播同步幀，初始化WSN網絡設置;②配合WSN網絡所采用的MAC算法和路由協議，協助其它網絡節點完成與鄰居節點連接建立路由;③完成不同網絡之間的協議轉換;④對從各傳感器節點接收的數據根據具體應用需求和當前帶寬，自適應地啟動數據融合算法，降低數據冗余度;⑤處理來自監控中心的控制指令。

二、無線傳感器網關設計

1 無線傳感器網關系統組成

CNC壓機系統無線傳感器網絡系統的基本組成部分是由大量的節點和少數的網關組成。傳感器節點主要負責壓機及外圍輔助設備工作過程中的數據的采集、處理及傳輸。傳感器節點隨機部署在所需測量的各個設備組件中，每個節點可以采集數據，并采用自組多跳路由無線方式將信息傳送給網關節點。網關節點是一類特殊的節點，網關的作用主要負責在兩個不同協議的網絡之間進行數據轉換，實現不同網絡之間的信息交換。傳感器網關節點是組成無線傳感器網絡的重要組成部分，是構成無線傳感器網絡的基礎平臺。

2 網關硬件模塊組成

無線傳感器網關是一個微型的嵌入式系統，一般由無線通信模塊、處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊組成。網關節點有較強的信息處理能力和存儲能力，對目標地點進行信息數據的采集、處理，并把收集到的信息轉發到外部網絡，節點具有串行接口，通過這些接口實現與其他系統網絡的連接。無線網關的網關節點的通信模塊接收其他節點經無線方式發射的數據，然后傳送給處理器作進一步處理，數據在處理器單元得到處理后，經過部分數據的融合、轉發實現用戶對數據的管理、查詢等功能。數據處理完畢后，通過串行接口RS 232將數據傳送至壓機CNC控制中心或其他系統設備。

3 網關硬件的選型

無線通信模塊和數據處理模塊是網關的核心組成部分，對硬件的選型主要是對射頻芯片以及微處理器的選擇。射頻芯片的性能要滿足ZigBee協議對硬件的要求。對微處理器的選擇還要從器件的體積、功能、外部接口、存儲容量、速率、成本、功耗等各方面是否滿足壓機系統的實際需要來進行比較，對射頻芯片的選擇從器件的功能、能耗、封裝大小、應用電壓等各方面來進行考慮。

（1）微處理器選型。壓機系統設計的網關在實際使用時采用TinyOS操作系統，主要應用于生產環境中，傳感器節點需要采集位移、壓力、電壓、流量、溫度等設備運行時的數據信息，相應地網關也需要轉發其他節點發送來的繁雜數據信息給上位機，同時為避免系統升級而更換硬件帶來的不便，節點預留了部分存儲空間。在綜合比較分析了各項指標后，選擇了Atmel公司生產的ATMEGAL28L，它擁有更大的容量，功能眾多的I/O接口以及較低的價格，且6種低功耗睡眠模式滿足ZigBee協議對硬件的要求。

（2）射頻芯片選型。壓機系統設計的網關采用ZigBee協議，因此對射頻芯片的選擇必須符合IEEE802.15.4/ZigBee協議。常見的有美國Ember公司的EM2420、ComXs公司的ML7065、挪威Chipcon公司的CC2420等。射頻芯片的選擇主要是從芯片功能、能耗、封裝大小、通信距離、芯片工作時所需外圍器件的多少，是否支持小電壓工作，睡眠電流以及資料是否詳實等各方面來進行綜合考慮。通過綜合比較，選擇CC2420芯片作為網關的射頻芯片。

4 網關接入上位機的硬件實現

根據在壓機系統實際工作的需要，設計的網關主要由數據處理、無線收發和電源三個單元組成。網關除了提供給傳感器節點接入Internet的接口、運算、存儲、電源等基本的嵌入式系統模塊之外，它還需配備與傳感器節點配套的各個通信接口。

5無線傳感器網關的硬件實現

（1）網關處理器電路圖設計。網關以ATMEGAL28L處理器為核心，同時配備了512 K Flash存儲器，支持外部中斷，有強大的同步屏步串行通信接口，支持SPI通信。射頻模塊采用Chipcon的CC2420實現，該芯片支持IEEE802.巧一物理層和數據鏈路層標準，工作于2.4GHz頻段，最大數據達250b/s。采用RS232串行接口，配置MAX232電平轉換單元。

（2）電平轉換單元設計。ATMEGAL28L通過普通I/0口與PC機RS 232串口實現通信的硬件接口電路。由于PC系列微機串行口為RS 232標準接口，與輸入、輸出均采用TTL電平的ATMEGAL28L在接口規范上不一致，RS232信號的電平范圍為-12V～-5V，5V～12V，單片機串口信號為0V～3V，因此需要采用電平轉換器件。系統采用MAXIM公司的MAX232標準RS232接口芯片，該芯片可以用單電壓（+5V）實現RS 232接口邏輯“1”（-3V～-15V）和邏輯“0”（+3V～15V）的電平轉換。

三、結語

CNC壓機系統采用無線傳感器網關技術，把CNC壓機的各類傳感器數據和壓機控制系統進行實時連接，提高傳感器數據傳輸的可靠性、精確性和便捷性，同時傳感器獲得數據通過無線的方式傳輸到生產線其他配套設備中，為生產線其他設備的平穩、安全運行提供了參考數據。

參考文獻

[1]孫紀敏，沈玉龍，孫玉，等.傳感器網絡接入Internet體系結構和服務提供方法[J].通信學報，2008，29（4）;84-89