摘 要： 詳細(xì)介紹了運(yùn)用ZigBee技術(shù)在實(shí)訓(xùn)車間的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的方案、結(jié)構(gòu)，解決了實(shí)訓(xùn)車間管理上的問(wèn)題，具有一定的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞： ZigBee；實(shí)訓(xùn)車間；無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)
“花都工學(xué)結(jié)合示范園”是廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院于2009年4月開(kāi)始建設(shè)的花都工學(xué)結(jié)合基地，占地96畝，共建了7個(gè)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)車間，學(xué)院自行投資建有SMT、機(jī)加工、數(shù)控加工等3個(gè)車間。隨著“花都工學(xué)結(jié)合示范園”的快速發(fā)展，學(xué)院管理的設(shè)備日益增多，設(shè)備的管理與維護(hù)的工作也越來(lái)越大，無(wú)法及時(shí)掌握設(shè)備的利用率以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，因此難以保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患。若用人工值守方式，其成本較高，因此，探索建立技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)管理與維護(hù)花都工學(xué)結(jié)合示范園設(shè)備正常工作具有重大的意義。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
“花都工學(xué)結(jié)合示范園”生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)車間的設(shè)備基本上已安裝固定完畢，傳統(tǒng)的車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)的采集、傳輸和發(fā)送。由于車間設(shè)備多而雜、信號(hào)繁多，使綜合布線及檢查維修很不方便，而且工程量大，維護(hù)費(fèi)用高。為減少系統(tǒng)的工作量，整個(gè)車間設(shè)備如果采用無(wú)線的方式就可以省掉布線的麻煩。考慮到當(dāng)前無(wú)線信息技術(shù)的現(xiàn)狀，采用ZigBee技術(shù)將是系統(tǒng)的最佳方案。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，可工作在2.4 GHz（全球流行）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的傳輸速率，傳輸距離在10~75 m的范圍內(nèi)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。
整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分構(gòu)成。其中，上位機(jī)主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理以及對(duì)系統(tǒng)的控制。下位機(jī)主要是對(duì)監(jiān)控信息的采集、上傳以及接收上位機(jī)的控制指令對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制。下位機(jī)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備和ZigBee傳輸設(shè)備兩部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)各個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee傳輸模塊發(fā)送到ZigBee傳輸設(shè)備上，同時(shí)將接收Z(yǔ)igBee傳輸設(shè)備下發(fā)的控制指令。ZigBee傳輸設(shè)備作為與上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信中間設(shè)備，主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，同時(shí)也接收上位機(jī)的控制指令，并把該指令下發(fā)給相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制設(shè)備的運(yùn)行。具體的車間無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
“花都工學(xué)結(jié)合示范園”生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)車間的設(shè)備主要有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、加工中心、電火花數(shù)控機(jī)床、電火花線切割機(jī)床、普通車床以及其他三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要采集每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)以及輸出控制信號(hào)。對(duì)于每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息可以采用檢測(cè)是否有電流通過(guò)進(jìn)行判斷，報(bào)警信號(hào)則通過(guò)機(jī)床的報(bào)警信號(hào)讀出，輸出控制信號(hào)主要控制設(shè)備的啟動(dòng)或停止。由于系統(tǒng)需要將采集到的信號(hào)通過(guò)ZigBee傳輸模塊上傳到ZigBee傳輸設(shè)備，這就需要一部分硬件電路與ZigBee傳輸模塊連接，并與ZigBee傳輸設(shè)備的ZigBee傳輸模塊進(jìn)行信息交換。為此，控制信息交換的電路采用微芯公司開(kāi)發(fā)的PIC系列單片機(jī)。該單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集（RISC）、哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)、二級(jí)流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價(jià)、指令集小、低功耗、高速度、體積小、功能強(qiáng)和簡(jiǎn)單易學(xué)等特點(diǎn)，并將大量的資源全部集成在芯片內(nèi)部，包括I/O、存儲(chǔ)器、通信接口等，使系統(tǒng)電路板需要的空間大大簡(jiǎn)化，而且一些對(duì)高頻通信可能產(chǎn)生的干擾噪聲大大減少，加上可以用電池供電和具有低功耗模式等特點(diǎn)，使PIC系列單片機(jī)非常適合應(yīng)用于短距離無(wú)線通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。本系統(tǒng)采用了微芯公司的PIC18F4620單片機(jī)和TI/CHIPCON公司的CC2420最新無(wú)線ZigBee芯片。數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
該無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)上位機(jī)發(fā)出的控制命令，相應(yīng)的控制點(diǎn)按照上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令完成相應(yīng)的任務(wù)。如果上位機(jī)沒(méi)有向控制點(diǎn)發(fā)送控制命令，控制點(diǎn)則按系統(tǒng)設(shè)置好的時(shí)間間隔，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)周期性地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，由GPRS模塊實(shí)時(shí)地傳送到上位機(jī)中。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件部分由下位機(jī)與上位機(jī)兩部分組成。其中下位機(jī)軟件主要是采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件主要是管理和控制系統(tǒng)。
下位機(jī)軟件主要由ZigBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和ZigBee傳輸設(shè)備上的軟件組成。ZigBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)的采集和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。ZigBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備上電初始化后，首先判斷是否有上位機(jī)發(fā)送的控制指令，如有則先執(zhí)行上位機(jī)發(fā)的控制指令，然后ZigBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備則按照所設(shè)置的時(shí)間間隔進(jìn)行定時(shí)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)在ZigBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的單片機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如果數(shù)據(jù)發(fā)生了變化則發(fā)送到ZigBee傳輸設(shè)備上，由ZigBee傳輸設(shè)備發(fā)送到上位機(jī)，并保存在服務(wù)器里。ZigBee傳輸設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)交換的中介作用，既要通過(guò)GPRS通信模塊接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee傳輸模塊下發(fā)給相應(yīng)的ZigBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，又要通過(guò)ZigBee傳輸模塊接收Z(yǔ)igBee每個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通信模塊上傳到上位機(jī)。下位機(jī)軟件流程如圖4所示。
將GPRS和ZigBee技術(shù)應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，解決了實(shí)訓(xùn)車間設(shè)備在管理上的諸多問(wèn)題，不僅大大減輕了實(shí)訓(xùn)車間設(shè)備管理人員的工作量，同時(shí)也使學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)能及時(shí)了解實(shí)訓(xùn)設(shè)備的運(yùn)行狀況和使用狀況。在該系統(tǒng)中，采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，使該系統(tǒng)具有ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)速度快、成本比較低、功耗比較小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)參數(shù)能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程通信、安裝費(fèi)用低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的通用性和廣闊的發(fā)展前景。
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