基于CC2530的電機(jī)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李 平，張曉宇

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

基于CC2530的電機(jī)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李 平，張曉宇

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)及我們的日常生活中的應(yīng)用十分廣泛，已成為當(dāng)今生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中最主要的原動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的智能化發(fā)展。本文基于TI公司的CC2530芯片，針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域中不超過10 kW的中小功率電機(jī)，分別設(shè)計(jì)了電機(jī)數(shù)據(jù)采集的子節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建ZigBee組網(wǎng)。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程PC端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保電機(jī)的正常運(yùn)行。

CC2530；電機(jī)；無線監(jiān)測(cè)

Abstract： The motor is widely used in modern industrial production and our daily life and has become the most important driving force and driving device. The rapid development of ZigBee wireless network communication technology and sensor technology promotes the intelligent development of modern industry. For the small and medium power motor no more than 10 kW in industrial field,the system designed sub-nodes of the motor data acquisition and coordination nodes of the data wireless transmission based on CC2530 chip of TI company,and constructed ZigBee network. The running data of the motor is transmitted to the remote PC terminal through the ZigBee network to realize the real-time monitoring of operation status of the motor.It ensured the normal operation of the motor.

Keywords： CC2530;motor;wireless monitoring

0 引言

現(xiàn)代電機(jī)設(shè)備特別是大型電機(jī)設(shè)備日益朝著高效率、高精度、高集成度和現(xiàn)代化、大型化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展,導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不斷提高,各部份關(guān)聯(lián)程度也越來越復(fù)雜[13]。對(duì)大型企業(yè)，如煤炭行業(yè)，由于井下采、掘等各操作設(shè)備的大額性、綜合性、過程性等特點(diǎn)，設(shè)備的運(yùn)行成本及維護(hù)成本較高，這就要求在提高其可靠性和產(chǎn)能的同時(shí)，增加故障維修間隔時(shí)間[1-2]。要達(dá)到這些要求，一個(gè)重要的因素就是為電機(jī)提供先進(jìn)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。以便早期發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行元件、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障，避免出現(xiàn)不良的運(yùn)行狀況。因此，對(duì)電機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究是非常必要的。

傳統(tǒng)的電機(jī)監(jiān)測(cè)方式是采用各種測(cè)試儀或在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部位安裝相應(yīng)的傳感器，配合相應(yīng)的電子儀表進(jìn)行電機(jī)的參數(shù)測(cè)量[4]。后來，微電子技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了電機(jī)的智能化發(fā)展，TMS320F2812 等DSP控制芯片、S3C2440A等ARM微處理器的出現(xiàn)，提高了電機(jī)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，但是這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是以有線的通信方式傳輸信號(hào)的[5-6]。對(duì)于煤礦等比較復(fù)雜的工作環(huán)境，存在布線困難等問題。針對(duì)傳這一情況，本文設(shè)計(jì)了基于CC2530 的ZigBee無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)無線監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)工作原理

電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和顯示模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊均基于CC2530設(shè)計(jì)，基于CC2530分別構(gòu)建ZigBee數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)傳感器采集到電機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)后，經(jīng)CC2530自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)形成自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信。子節(jié)點(diǎn)將數(shù)字信號(hào)分兩路傳輸，一路直接發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)液晶顯示模塊，使得現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以直觀的觀察電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，另一路經(jīng)節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)模塊將信號(hào)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)，將數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳輸給PC端，使遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的工作人員也可以隨時(shí)掌握電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 電機(jī)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控界面和電機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)兩部分組成。上位機(jī)監(jiān)控界面由PC端與協(xié)調(diào)器通過串口相連[12]。系統(tǒng)中，電機(jī)監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)由電壓檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊和無線通信模塊五部分組成。監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖和硬件實(shí)物圖分別如如圖2、圖3所示。

圖2 監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 子節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)物圖

2.1 主控芯片

系統(tǒng)主控芯片為TI公司生產(chǎn)的CC2530，它是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本:CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。

2.2 電壓檢測(cè)模塊

電壓的檢測(cè)選用電壓互感器LCTV31CE，此型號(hào)傳感器為電流型電壓互感器，屬微型精密電壓變換器，可采集交流電壓，隔離能力強(qiáng)，安全可靠。圖4為電壓檢測(cè)模塊電原理圖。輸入側(cè)電阻限流使得到2 mA的輸入電流，LCTV31CE輸出與輸入側(cè)同大小的電流，經(jīng)整流濾波后輸入CC2530的P04、P05、P06引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2.3 電流檢測(cè)模塊

電流參數(shù)的測(cè)量，選用的霍爾傳感器ACS712，霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾器件則用來測(cè)量這一磁場(chǎng)，通過測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小間接測(cè)量載流導(dǎo)體電流的大小。圖5是ACS712 的引腳及內(nèi)部框圖。從ACS712 的內(nèi)部框圖與封裝解剖圖可以看出，原邊電流只是從芯片內(nèi)部流過，與副邊電路并沒有接觸，原邊與副邊是隔離的，因?yàn)榉庋b小，所以ACS712 的隔離電壓為2100 V。因?yàn)殡娏鞯牧鬟^會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，霍爾元件根據(jù)磁場(chǎng)感應(yīng)出一個(gè)線性的電壓信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波、與斬波電路，輸出一個(gè)電壓信號(hào)[8]。經(jīng)分壓濾波后，輸入到CC2530的P01、P02、P03引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖6是電流檢測(cè)模塊的電路原理圖。

圖4 電壓檢測(cè)模塊電原理圖

圖5 ACS712引腳及內(nèi)部框圖

圖6 電流檢測(cè)模塊的電路原理圖

2.4 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息，僅需要一根口線(單線接口)。DS18B20提供九位溫度讀數(shù)，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無需任何外圍硬件，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。使用時(shí)也可將其粘貼或埋置在電機(jī)繞組部位，測(cè)量其局部溫度。

2.5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊

轉(zhuǎn)速的測(cè)量選用A3144E開關(guān)型霍爾傳感器，利用的也是霍爾效應(yīng)原理，它是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償電路和集電極開路的輸出級(jí)組成的磁敏傳感電路，輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào)。圖7是轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊原理圖。

圖7 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)監(jiān)控界面軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)三部分。子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)，將采集到的電機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)無線模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。程序流程圖如圖8所示。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，接受子節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，處理后經(jīng)串口將其發(fā)送給PC監(jiān)控端。程序流程圖如圖9所示。監(jiān)控界面將采集到的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示出來，便于工作人員及時(shí)掌握電機(jī)的工作狀態(tài)。電機(jī)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖8 子節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖9 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖10 電機(jī)監(jiān)控界面

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，以一臺(tái)中小功率型電機(jī)為研究對(duì)象，以TI公司的CC2530為核心設(shè)計(jì)無線傳感節(jié)點(diǎn)，并針對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中的電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速四個(gè)重要參數(shù)，分別采用電流型電壓互感器LCTV31CE、電流傳感器ACS712、溫度傳感器DS18B20和轉(zhuǎn)速傳感器A3144E采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有工作穩(wěn)定可靠、無線通信靈活、使用方便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。

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DesignandResearchonWirelessMonitoringSystemBasedonCC2530

LI Ping，ZHANG Xiao-yu

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,065201,China)

M343.2

A

1672-7169(2017)03-0092-05

2017-05-23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142017046、3142016022)，河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(15272118)

李平(1992-)，女，山西長(zhǎng)治人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)在電氣傳動(dòng)技術(shù)中的應(yīng)用。E-mail：1755382002@qq.com