基于ZigBee和GPRS的軸承溫度監測系統設計

山東工業職業學院電氣工程學院 宿筱 聶兵 錢衛鈞

針對目前軸承溫度監測存在的問題，設計了一種基于ZigBee和GPRS無線通信技術的軸承溫度監測系統，介紹了系統架構、硬件方案和軟件設計。

隨著工業化進度的加速，在各種生產過程中，軸承已被應用在各類傳動裝備上。在長時間運轉過程中，由于軸承損傷、或由于安裝誤差、材料質量、潤滑劑等問題均可引起摩擦力的增加，從而導致軸承工作溫度升高，若不及時發現處理，必將造成更嚴重故障[1]。所以，通過對軸承工作溫度進行實時監測，就能夠及時找到安全隱患，并準確地制定解決對策，從而有效減少了因故障所造成的經濟損失。而目前對軸承溫度檢測的手段主要有以下幾種：人工巡檢測量、有線測溫及遠紅外無線測溫等。（1）人工巡檢測量的方法是通過手握式測溫儀檢查軸承表面溫度，具有測量偏差大、遺漏未檢率高、勞動強度大、無法進行實時在線測試等問題。（2）有線測溫方法存在的問題是布線比較困難，且在使用過程中不方便維修維護。（3）遠紅外無線測溫，是利用物體表面的紅外線輻射波來實現對其溫度的測量，主要缺陷是容易受到紅外線輻射光道遮擋的影響，難以精確測量物體表面的實際溫度值，從而影響了在一些特定場合下的正常使用。根據上述測量方法存在的問題與不足，本文給出了一個采用ZigBee技術的溫度檢測系統，并使用GPRS網絡實現對軸承溫度的智能在線監測。

1 系統架構

基于ZigBee和GPRS的軸承溫度監測系統架構示意圖如圖1所示。

溫度探測單元以傳統接觸方法裝配于軸承座上，感應軸承的溫度變化，并將溫度數據經由無線收發器發射，再由溫度監測單元中的無線收發器接收處理。溫度探測單元和溫度監測單元之間自動形成了ZigBee網絡，從而完成對多軸承溫度的實時檢測。溫度監測單元的網絡通信接口與GPRS收發單元連接，并利用電信運營商的移動通訊網絡系統將溫度信息傳輸至監測中心以及移動設備，進而完成對軸承溫度的聯網監測。

ZigBee技術是一種無線傳感網絡通信技術，可以實現近距離較低傳信率的信息傳遞，并且能夠自動組成無線傳感網絡，該網絡的優點是節點容量大、自動路由、抗干擾能力強、可靠性高以及較強的自愈功能。與現有的各類無線通信技術相比，ZigBee技術具有極低的功耗，可使用高能電池供電而無需頻繁更換。

GPRS是普通分組無線服務(General Packet Radio)的縮寫，是一個基于GSM系統的無線數據信息分類互換技術，能夠提供端到端的廣域網及無線IP接入。具有性能穩定、覆蓋范圍廣、傳輸信息速度快、方便登錄、實時在線的特點。因此，采用ZigBee技術與GPRS技術相結合，是實現軸承溫度在線監測的理想解決方案[2]。

2 硬件設計

2.1 溫度探測單元

溫度探測單元由數字溫度傳感器DS18B20和ZigBee芯片CC2530及外圍電路組成。如圖2所示。

DS18B20是Dallas公司生產的單總線溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～+125℃，測量精度為±0.5℃，滿足設計的使用要求。通過DS18B20的單總線與ZigBee芯片CC2530的I/O口相連接。

CC2530是TI公司生產的ZigBee芯片，內部的微處理器為增強型8051，無線收發器為雙向可控型，通過外部連接即可實現發射或接收功能，其工作頻率為2.4GHz。集成了A/D轉換器、定時器、存儲器以及21個可程序化I/O口，并同時提供了2個UART端口。利用CC2530豐富的硬件資源，大大簡化了外圍電路的設計。CC2530控制DS18B20采集軸承的當前溫度值，然后利用無線收發器發送至溫度監測單元。為了簡化設計，無線收發器電路直接使用CC2530數據手冊中所給出的典型應用電路，天線采用PCB天線[3]。

電源采用高性能鋰電池供電方式，使溫度探測單元的安裝設置更加靈活方便。

2.2 溫度監測單元

溫度監測單元由CC2530、液晶顯示屏、按鍵、越限報警電路和電源電路等構成。原理框圖如圖3所示。

SMS0401液晶模塊的二線串行接口與CC2530的I/O相連接，用于顯示各個軸承的溫度值。設置4個按鍵，其中2個為上/下溫度調整鍵，對各個軸承的溫度越限值進行設定，另外2個為確定鍵和結束鍵。越限報警電路由CC2530的普通I/O輸出口控制，當溫度超過設定值時產生聲光報警。通信接口直接利用CC2530自帶的UART1實現與GPRS收發單元的通信。為了進一步提高溫度監測單元的接收效果，CC2530天線使用單端螺旋天線。

溫度監測單元采用220V電源供電，經變壓、整流、穩壓后輸出+5V直流電壓，再經過穩壓電源TPS767D301輸出電壓3.3V，為CC2530供電。

2.3 GPRS收發單元

GPRS收發單元選用無線通信模塊GTM900，它是華為生產的一款多功能GSM/GPRS無線通信芯片，包含800MHz/900MHz/1800MHz三個頻段，支持標準的AT命令及增強AT命令，內嵌TPC/IP協議，具有無線數據傳輸、短信息服務、語音通信等功能。包含了SIM卡接口、UART接口、音頻接口、天線接口及多個I/O口，豐富的接口資源，簡化了外圍電路的設計。GTM900的UART/TDX0與CC2530的UART1相連，用于接收溫度數據，并以短信的形式發送到移動設備或通過因特網上傳至監測中心。

利用溫度監測單元的+5V電壓經線性穩壓器CS5203將其變為3.8V，為GTM900供電。

3 軟件設計

系統軟件主要由溫度探測軟件和溫度監測軟件組成，這兩部分都需要向ZigBee模塊移植Z-Stack協議棧。溫度探測的主要工作是完成溫度數據的采集和無線發送，并承擔部分路由功能，保持與鄰近溫度探測單元的通信。溫度監測主要完成溫度數據的無線接收、處理、顯示、越限報警。通過向GTM900發送AT命令實現信息傳輸，并控制GPRS收發單元發送溫度數據。

溫度探測軟件運行在CC2530上，系統上電后，先初始化運行環境，包括端口初始化、存儲器初始化、信道選擇、PANID、源地址等操作。建立ZigBee網絡，等待溫度監測單元的指令，若收到測溫指令，則開始采集軸承溫度并將溫度數據發送至溫度監測單元，否則處于休眠狀態。程序流程圖如圖4所示。

溫度監測軟件負責溫度數據的管理與控制，系統上電后，執行初始化程序，完成按鍵、顯示器以及GTM900等硬件的初始化操作。建立ZigBee網絡，等待溫度探測單元加入網絡，當探測單元入網后分配網絡地址，接收溫度探測單元的數據并處理。按溫度探測單元的地址，顯示當前溫度值，檢測有無按鍵按下，如有則執行按鍵設置程序，設定溫度閾值，當溫度超過安全設定值時，實現越限報警。溫度數據通過GTM900發送出去。程序流程圖如圖5所示。

4 結語

基于ZigBee和GPRS的軸承溫度監測系統，采用ZigBee芯片CC2530組成無線傳感網絡，完成多點溫度的自動測量，利用無線通信芯片GTM900組成無線通信網絡，實現溫度數據的移動監測。系統硬件結構比較簡單，且易于實現。無線測溫方式使系統設置更加靈活方便，而無線通信方式更有利于系統擴展。該系統可以對軸承溫度進行實時監測，具備了很高的使用推廣價值。