基于ZigBee的拋光布輪直徑及噴槍工作狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊保健，曹云龍，鄧永寧，曹明軒

（五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

0 引言

在機(jī)械噴槍作業(yè)時(shí)，若噴槍堵塞，內(nèi)部受到擠壓時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，容易導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的損壞。對(duì)機(jī)械噴槍是否正常噴射進(jìn)行監(jiān)測，因此需要用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其能通過各種應(yīng)用于工業(yè)的微型傳感器，分散于工業(yè)檢測區(qū)的各個(gè)角落，覆蓋整個(gè)待檢測區(qū)域，而這些區(qū)域的各種數(shù)據(jù)，又將以無線方式被發(fā)送，并通過每種無線通信技術(shù)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)傳輸最終傳到用戶的終端上進(jìn)行顯示，從而達(dá)到監(jiān)控的目的[1－2]。預(yù)期對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測以及對(duì)布輪的磨損監(jiān)測，在噴槍不能正常工作時(shí)或布輪磨損超過閾值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。對(duì)機(jī)械噴槍使用時(shí)工作狀態(tài)的檢測以及拋光布輪磨損的程度進(jìn)行觀察，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)拋光工藝的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并在協(xié)調(diào)器的OLED上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

本文的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過微芯片技術(shù)、ZigBee協(xié)議通信技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)以及C程序語言的設(shè)計(jì)[3－6]，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：通過紫峰技術(shù)，并結(jié)合CC2530芯片，構(gòu)建一個(gè)紅外避障傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械噴槍的工作狀態(tài)，該傳感器的型號(hào)為E18－D80NK；可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測噴槍的工作狀態(tài)，節(jié)省人力成本，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械系統(tǒng)方案

裝置的電極組安裝在拋光輪的側(cè)面，拋光輪一側(cè)電極檢測拋光漿是否飛出。傳動(dòng)方式主要用絲杠螺母進(jìn)行傳動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)固定于拋光機(jī)床側(cè)壁?；魻栯娏鞅淼沫h(huán)安裝在三相電機(jī)上，通過電線連接到MCU，如圖1所示。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)布局Fig.1 Mechanical layout

1.2 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢

WiFi、藍(lán)牙、ZigBee這3種無線技術(shù)在通信速率、安全性和功耗這3個(gè)衡量通信傳輸過程中的重要指標(biāo)中各有千秋。本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用場合在工廠生產(chǎn)車間，而ZigBee的優(yōu)勢又是多節(jié)點(diǎn)和低功耗，無論從經(jīng)濟(jì)角度還是應(yīng)用場合的角度來看，ZigBee都要比其他2種近距離無線通信技術(shù)更合適[7]。

1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有3種不同功能的設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)。其中協(xié)調(diào)器的功能最為強(qiáng)大，能夠組建網(wǎng)絡(luò)，路由器是協(xié)調(diào)器和終端之間的中轉(zhuǎn)站，而終端則一般搭配傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

1.4 總體方案

本次基于ZigBee的拋光噴槍監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)把CC2530芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的主控芯片[8－10]，分別充當(dāng)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的兩大模塊的MCU。在終端節(jié)點(diǎn)連接E18－D80nk紅外避障傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若無障礙物通過時(shí)，則觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)上的蜂鳴器報(bào)警。最終采集到的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上搭配OLED顯示屏，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。系統(tǒng)工作原理是協(xié)調(diào)器通過廣播的方式與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答并發(fā)送紅外避障數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，能夠通過OLED的數(shù)據(jù)來判斷拋光噴槍是否處于正常工作狀態(tài)以及對(duì)拋光布輪是否達(dá)到閾值，進(jìn)而對(duì)事故的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。

2 基于ZigBee節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.1 協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧的一部分，位于底層的是IEEE 802.15.4協(xié)議，為了順利地完成對(duì)嵌入式單片機(jī)的開發(fā)和使用，在此基礎(chǔ)上又增加了應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層。應(yīng)用層位于協(xié)議棧的頂層，協(xié)議棧把這一層又細(xì)分為應(yīng)用支持層，應(yīng)用程序框架和ZigBee設(shè)備對(duì)象。協(xié)議棧各層的功能和對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧代碼文件夾如表1所示。

表1 ZigBee協(xié)議棧分層框Tab 1 ZigBee block diagram of protocol stack

2.2 協(xié)議棧操作系統(tǒng)抽象層

協(xié)議棧也分出了一層空間，建立了一種實(shí)時(shí)操作的系統(tǒng)，作為協(xié)議棧的管理者，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的基本功能為前提的OSAL層。具體的系統(tǒng)資源管理機(jī)制如下：系統(tǒng)會(huì)分配唯一的數(shù)據(jù)編號(hào)給每一層，這個(gè)編號(hào)就是這一層的任務(wù)ID。當(dāng)事件發(fā)生后，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)事件的性質(zhì)分配相應(yīng)的任務(wù)ID，根據(jù)任務(wù)ID調(diào)用相關(guān)的任務(wù)事件處理函數(shù)對(duì)事件進(jìn)行處理。

圖2 OSAL的任務(wù)調(diào)度機(jī)制Fig.2 OSAL task scheduling mechanism

2.3 ZigBee協(xié)議棧的主要工作流程

在使用Z－Stack時(shí)，首先從ZMain.c文件入手，找到main（）函數(shù)，其包含協(xié)議棧規(guī)定的初始化定義，即對(duì)硬件和軟件都進(jìn)行初始化。在主函數(shù)的最后，就會(huì)運(yùn)行到osal_start_system（）這個(gè)函數(shù)，也就是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開始執(zhí)行，在這個(gè)函數(shù)中，程序會(huì)陷入死循環(huán)，因?yàn)槊恳淮蔚难h(huán)都是系統(tǒng)對(duì)一個(gè)任務(wù)進(jìn)行處理。這里就要引用協(xié)議棧中定義好的任務(wù)事件變量，這個(gè)變量的作用是觀察在一個(gè)任務(wù)中是否有事件發(fā)生。如果沒有，就會(huì)不斷地重復(fù)這個(gè)過程，直到變量變?yōu)?，系統(tǒng)就會(huì)找到相應(yīng)的任務(wù)ID找到對(duì)應(yīng)的事件處理函數(shù)，去處理事件。當(dāng)涉及到任務(wù)的優(yōu)先級(jí)時(shí)，就要比對(duì)任務(wù)ID。同時(shí)考慮到無線通訊的數(shù)據(jù)收發(fā)，還設(shè)定了消息隊(duì)列來進(jìn)行管理。當(dāng)熟悉了協(xié)議棧的工作流程之后，就可以在操作系統(tǒng)中新建立屬于自己項(xiàng)目的任務(wù)，而處理任務(wù)又需要兩個(gè)相關(guān)的處理函數(shù)，一個(gè)是用于初始化的函數(shù)，另一個(gè)便是用于引起該任務(wù)狀態(tài)變化的事件發(fā)生后所需要執(zhí)行的任務(wù)處理函數(shù)，如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器工作流程Fig.3 Flowchart of coordinator work

2.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序

一開始由ZMain.c文件下的main函數(shù)開始執(zhí)行，在經(jīng)過一系列的軟件和硬件初始化之后，對(duì)能量進(jìn)行檢測，主要是檢測指定的信道中是否有其他信號(hào)，避免可能的干擾。在完成這一步后，協(xié)調(diào)器開始組建網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID，同時(shí)把組網(wǎng)指示燈點(diǎn)亮。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)后，在網(wǎng)絡(luò)中將協(xié)調(diào)器的PAN ID設(shè)為0xFFF1，作為其在2.4 GHz的11信道的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符。組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器在局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000，這時(shí)就允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。由于是使用廣播模式進(jìn)行通信，由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，局域網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)都能拿到數(shù)據(jù)。因此在協(xié)調(diào)器要定義好端口，再通過和應(yīng)用層掛鉤，一旦接受從終端傳感節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，就進(jìn)入應(yīng)用層的任務(wù)事件處理函數(shù)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)反饋給OLED顯示屏。

2.5 終端節(jié)點(diǎn)程序

由于該節(jié)點(diǎn)不參加網(wǎng)絡(luò)的組建，在完成設(shè)備初始化后才開始探索周圍的信道環(huán)境，尋找可以加入的局域網(wǎng)。亦或者接受協(xié)調(diào)器的邀請，通過協(xié)調(diào)器組網(wǎng)時(shí)設(shè)定好的PAN ID加入該網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)使組網(wǎng)的指示燈點(diǎn)亮，設(shè)備綁定意味著入網(wǎng)成功，并且在網(wǎng)絡(luò)中獲得隨機(jī)分配網(wǎng)絡(luò)地址。然后開始定時(shí)地采集E18－D80nk的數(shù)據(jù)，采取廣播通信的模式，將數(shù)據(jù)通過RF模塊發(fā)射出去。在應(yīng)用層上的任務(wù)，都調(diào)用相關(guān)的事件處理函數(shù)來處理，如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)工作流程Fig.4 Flow Chart of Terminal Node

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 硬件調(diào)試

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，4塊電路板的紅色電源指示燈均保持點(diǎn)亮狀態(tài)，而黃色的組網(wǎng)指示燈則保持閃爍狀態(tài)，表明協(xié)調(diào)器和3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)成功，這時(shí)協(xié)調(diào)器的OLED顯示屏上就會(huì)顯示出3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)；當(dāng)把紅外避障傳感器往障礙物方向放置時(shí)，可以看見OLED顯示屏上所顯示的是未觸發(fā)的字樣，表明噴槍正常工作，同時(shí)布輪磨損沒有超過閾值；而把紅外避障傳感器往空曠處方向時(shí)，這時(shí)顯示屏上就會(huì)顯示觸發(fā)的字樣，表明噴槍未能正常噴射出噴射物，布輪磨損超過閾值，此時(shí)觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)響聲，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。協(xié)調(diào)器實(shí)物演示如圖5所示。圖中，位于圖片左上角的LED為電源指示燈，位于左下角的LED為電源指示燈，顯示屏上則正常顯示終端節(jié)點(diǎn)的報(bào)警情況，此時(shí)處于未觸發(fā)警報(bào)的狀態(tài)，即紅外傳感器前方探測到有障礙物，此時(shí)表明噴槍能正常噴射物體，拋光布輪磨損未超過閾值。

圖5 協(xié)調(diào)器實(shí)物演示Fig.5 Physical presentation of coordinator

3.2 軟件調(diào)試

在進(jìn)行軟件調(diào)試時(shí)，要用IAR對(duì)相關(guān)代碼進(jìn)行編譯，待編譯沒有錯(cuò)誤后，便可使用IAR的Debug調(diào)試功能對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試，如圖6～7所示，此時(shí)要連接上CC Debugger調(diào)試下載接口，將程序源碼分別燒寫進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，然后觀察硬件是否能夠正常工作。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)IAR編譯Fig.6 Compiler diagram IAR coordinator node

4 結(jié)束語

本文主要運(yùn)用ZigBee中的星型拓?fù)鋪斫M建無線紅外避障數(shù)據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過紫峰技術(shù)，并結(jié)合CC2530芯片，構(gòu)建一個(gè)紅外避障傳感器網(wǎng)絡(luò)，預(yù)期對(duì)機(jī)械噴槍使用時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測以及拋光布輪磨損的程度進(jìn)行觀察，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)拋光工藝的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并在協(xié)調(diào)器的OLED上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在噴槍不能正常工作時(shí)或布輪磨損超過閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，解決了工人長時(shí)間對(duì)機(jī)器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測以及對(duì)布輪的磨損監(jiān)測問題，可以減少勞動(dòng)力成本，給企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 終端節(jié)點(diǎn)IAR編譯Fig 7 Compile diagram IAR terminal nodes