基于ZigBee技術的機械設備狀態監測系統設計與實現

摘" 要：為實現機械設備運行狀態的實時監測和故障預警，設計基于ZigBee短距離無線通信技術的機械設備狀態監測系統。該系統通過數據采集模塊獲取機械設備的電流、振動、溫度等狀態信號，經ZigBee無線模塊的終端節點和協調器節點將信號上傳至上位機監控中心。為了提高信號質量，設計信號調理電路進行A/D轉換、濾波、放大。最終在液晶顯示器上實時、直觀地呈現監測結果，對提升機械設備管理效率和延長機械設備使用壽命有積極幫助。

關鍵詞：狀態監測系統；ZigBee技術；數據采集；Zstack協議棧；設計與實現

中圖分類號：TH17" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0114-04

Abstract： In order to realize real-time monitoring and fault warning of mechanical equipment operating status， a mechanical equipment status monitoring system based on ZigBee short-range wireless communication technology is designed. The system obtains status signals such as current， vibration， and temperature of mechanical equipment through the data acquisition module， and uploads the signals to the upper computer monitoring center through the terminal node and coordinator node of the ZigBee wireless module. In order to improve signal quality， a signal conditioning circuit is designed for A/D conversion， filtering， and amplification. Finally， the monitoring results are displayed in real time and intuitively on the LCD display， which is positive for improving the efficiency of mechanical equipment management and extending the service life of mechanical equipment.

Keywords： status monitoring system; ZigBee technology; data acquisition; ZStack protocol stack; design and implementation

機械設備在復雜工作環境下運行一段時間后，由于自身老化磨損和外界環境影響，不可避免會出現各種異常工況，通常表現為溫度異常、振動異常等。融合了傳感器技術、ZigBee技術、微處理器技術的機械設備狀態監測系統，一方面可以利用多種高精度傳感器實時采集機械設備的狀態信號，另一方面充分發揮ZigBee技術功耗低、延時短、安全性高、協議簡單、成本低廉等優勢，將狀態信號統一轉換成數字信號上傳至上位機監控中心，滿足了實時監測的需要。

1" 機械設備狀態監測系統的整體架構

本文用ZigBee短距離無線通信技術代替有線通信，設計了機械設備狀態監測系統。該系統主要由3個模塊組成，即數據采集模塊、ZigBee無線模塊以及上位機監控中心。數據采集模塊直接與機械設備相連，實時獲取設備信號（如電流信號、溫度信號等）并通過通信串口上傳至ZigBee無線模塊的終端節點。多個終端節點的數據經ZigBee無線網絡匯總到協調器節點，最后上傳至上位機。該系統的結構如圖1所示。

數據采集模塊的硬件設備包括各類傳感器和微處理器，以及配套的電源、信號調理電路等，支持數據的采集、處理、存儲和發送。傳感器獲取的模擬信號經過A/D轉換器后變成計算機可識別的數字信號，此外為了提高信號質量還要進行FIR濾波、降噪等處理，處理后的數據存儲到SD卡中。

ZigBee無線模塊負責將采集到的數據傳輸至上位機，因此對ZigBee無線網絡的穩定性與可靠性提出嚴格要求。本系統中ZigBee無線模塊的硬件設備包括微處理器、電源、串口以及配套的復位電路、時鐘電路，如圖2所示。另外，在ZigBee無線網絡中添加了2種類型的節點：一種是終端節點，負責發送入網申請，與采集模塊建立通信并接收數據，同時接收協調器節點下達的指令；另一種是協調器節點，負責搭建ZigBee網絡，接收入網請求以及接收終端節點數據等[1]。

上位機監控中心的硬件為液晶顯示屏，支持人機交互；軟件采用模塊化設計，有用戶登錄模塊、參數設置模塊、信號分析模塊以及預警顯示模塊等。

2" 機械設備狀態監測系統的硬件設計與實現

2.1" 傳感器的選型

傳感器用于采集機械設備的轉速、溫度、電流等運行參數，選擇合適的傳感器能夠保證獲取數據的及時性和準確性，這對于實現機械設備狀態的動態監測以及故障的準確診斷至關重要。本文在選擇傳感器時主要考慮了工作特性（靈敏度、分辨率等）、工作環境（耐腐蝕、抗干擾等）、自身參數（尺寸、功耗等）3項指標。以溫度傳感器為例，選用DS18B20數字式溫度傳感器，采用集成化設計不僅尺寸小巧，而且穩定性好，能夠適應復雜、惡劣的工作環境并且保證采集數據的準確性。該傳感器可通過I/O口與微處理器直連，將采集數據以12位數字量經串口傳送至ZigBee的終端節點。工作電壓3.0 V，功耗較低；溫度測量范圍-50～ +120 ℃，測量范圍廣、測量精度高，能夠滿足大多數機械設備的溫度監測需要。

2.2" 微處理器的選型

微處理器的功能是控制傳感器采集快速變化的機械設備信號，考慮到機械設備種類復雜、信號多樣，因此所選微處理器必須具備同時處理多通道數據的能力。本文在設計機械設備狀態監測系統時，選擇了TMS320F28335芯片作為數據采集模塊的微處理器，該處理器采用內嵌的哈佛結構，可以將程序與數據獨立存儲；采用流水線模式執行程序，顯著提高了信號處理速度；此外還具有集成化程度高、可重復性好等優勢[2]。在性能方面，TMS320F28335采用主頻為180 MHz的32位CPU和8 MB的尋址空間（4 MB的程序尋址和4 MB的數據尋址）；提供3個定時器，2個為常規定時器，1個控制芯片運行；提供2個8通道的復用輸入接口，最大轉換速度為110 ns。

2.3" 信號調理電路設計

在機械設備狀態監測系統中不同傳感器的輸出信號存在差異，例如DS18B20溫度傳感器輸出數字信號，可直接發送給微處理器；而KHCT911L電流傳感器輸出的電流信號屬于模擬信號，必須要經過調理電路轉換成數字信號才能被微處理器識別。另外，部分機械設備提供的電流信號中混雜著多種頻率，可用于表征機械設備運行工況和故障信息的電流信號主要集中在低頻部分，這種情況下就需要設計信號調理電路濾除電流信號中的高頻部分，避免因為信號混疊而影響最終監測結果的精度。本文以LM324運算放大器為核心設計了多個信號調理電路，如面向振動信號的調理電路、面向電流信號的調理電路等，可同時實現濾波、放大等功能。以電流信號調理電路為例，具體設計如圖3所示。

2.4" ZigBee無線模塊的硬件設計

在ZigBee無線模塊設計中，ZigBee的選型是否合理將直接決定系統的開發難度和監測效果。目前市場上主流的ZigBee芯片有Jennie系列、Ember系列、TI系列等。本文選擇了TI系列的CC2530-F256型芯片，該芯片采用集成化設計，集成了RF收發器、8051微處理器等，最快傳輸速率可達260 kbps；支持3種運行模式，可以根據無線通信需要自動在不同模式之間切換，在滿足即時通信要求的前提下降低了運行功耗；兼容RemoTI、Z-Stack、CSMA/CA等多種通信協議，對提高無線通信的穩定性有積極幫助。電源方面，ZigBee無線模塊的終端節點工作電壓為3.3 V，因此可以用采集模塊的電源直接為ZigBee模塊供電，無須專門提供獨立電源；協調器節點由于需要接收和處理多個終端節點的數據，工作能耗更大，為了保證協調器節點的穩定運行，本文專門設計了獨立電源。使用12 V鋰電池供電，同時在電源與協調器節點之間設計了一個以LM7805芯片為核心的調壓電路，將外接的12 V電壓降低為5 V電壓，為協調器節點供電[3]。

3" 機械設備狀態監測系統的軟件設計與實現

3.1" 采集轉換單元程序設計

本文基于CCS3.3開發平臺進行了數據采集模塊的程序設計，該平臺兼容C語言和C++語言，支持在線編程與調試，并且編程結果可視化，降低了開發難度。采集模塊程序包含主程序以及A/D采集轉換程序、SD卡程序等，這里重點介紹A/D采集轉換程序的設計要點，如圖4所示。

數據采集模塊上電運行后，同步啟動A/D采集轉換程序。首先進行A/D初始化，之后進入低功耗的待機狀態。該狀態下執行循環判斷語句“是否觸發中斷？”，如果未觸發，中斷標志位為“1”，繼續等待；在成功觸發中斷后，中斷標志位為“0”，A/D轉換采集單元開始工作，接收并處理前端傳感器采集到的機械設備狀態信號。完成處理后將數據存入SD卡中，同時每觸發一次中斷代表成功采集一個數據，記錄1次轉換次數。數據保存后再執行一個循環判斷語句“轉換次數是否等于1024？”，如果判斷為“否”，表示未達到數據包的容量上限，取消中斷標志位并重復上述程序繼續采集數據，直到判斷為“是”，表示達到數據包的容量上限，可以將數據包發送至ZigBee無線模塊的終端節點。

3.2" ZigBee無線網絡的軟件設計

影響ZigBee無線網絡性能的因素主要有2個：其一是開發環境，其二是協議棧。開發環境方面，本文選擇了TI公司推出的IAR8051軟件作為ZigBee無線網絡軟件的開發平臺，該平臺為用戶提供嵌入式開發環境，并且兼容C/C++編譯器和調試器等常用的開發工具，具有操作簡便、開發效率高等優勢。協議棧方面，使用ZStack協議棧，與CC2530-F256型芯片良好兼容[4]。支持用戶通過專用APP進行程序設計，簡化了軟件設計流程，IAR軟件界面及ZStack協議棧的架構如圖5所示。

3.3" 協調器節點軟件設計

本文設計的機械設備狀態監測系統采用星型結構網絡，為了簡化系統結構在滿足基本功能的基礎上只設置了協調器節點和終端節點2種角色，這里以協調器節點為例介紹軟件設計要點。作為ZigBee無線網絡的關鍵組成，協調器節點承擔了組建無線網絡、分配網絡地址、接收終端節點數據并上傳至上位機的功能，其運行流程如圖6所示。

在ZigBee無線網絡模塊上電后，協調器節點進入工作狀態并同步運行程序。首先進行系統初始化（計時器清零、I/O參數變為默認值）、協議棧初始化，并自動開啟全局中斷。此時協調器嘗試新建ZigBee網絡，并執行一個循環判斷語句“網絡是否成功建立？”，如果判斷結果為“否”，則再次嘗試建立網絡，直到網絡成功建立[5]。此時協調器節點對應的狀態指示燈變為綠色常亮狀態，協調器節點進入待機狀態準備接收來自終端節點和上位機的信息。當協調器節點接收到來自ZigBee無線網絡之外的節點發送的入網申請后，允許其接入網絡并分配16位網絡短地址；當協調器節點接收到來自上位機的指令后，首先要進行指令驗證，在確定指令有效后將其向下發送至終端節點；當協調器節點接收到來自終端節點的上傳數據，首先要解析數據然后再將其通過RS232串口上傳至上位機，最終結果在上位機顯示屏上呈現，方便工作人員遠程監控機械設備狀態。

4" 結束語

面向機械設備的狀態監測系統由于需要準確采集并實時傳輸海量的狀態數據，因此對于傳輸方式的選擇和傳輸性能的要求極為嚴格。相比于常規的有線通信，ZigBee短距離無線通信包含的網絡節點更多，可以與機械設備實現一對一的信息傳輸，同時其還具有功耗低、延遲短、價格低等諸多優勢，進一步提升機械設備狀態監測系統的使用效果。

參考文獻：

[1] 呂猛.基于無線傳感技術的煤礦機械設備運行狀態監測系統[J].能源與環保，2023（3）：227-232.

[2] 梁野，張賀，石剛，等.基于工業物聯網技術的機械加工設備在線監測系統的研究[J].智能制造，2023（5）：81-86.

[3] 王將.基于光纖傳感技術的煤礦機械設備安全監測系統設計[J].機械管理開發，2022（11）：226-229.

[4] 李娜，劉關四，王志杰，等.港口起重機械運行狀態監測數據集成分析系統開發及應用[J].中國特種設備安全，2022（9）：38-40.

[5] 高大龍.機械設備智能監測與診斷系統的研究與實現[J].文淵（高中版），2022（4）：668-670.