引言

很多工礦企業(yè)用到多種大功率電機，如抽風機、提升機、傳輸機等。這些電機大多是長時間連續(xù)運行的，而且現(xiàn)場壞境復雜，電機很有可能會遇到過載、絕緣局部損壞等情況，如果電機出現(xiàn)異常情況沒有時發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)運行，會直接引起電機溫度變化，時間過長就可能會造成電機及相關設備損壞，產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。實時監(jiān)測這些電機的溫度可以間接的監(jiān)測電機的運行狀態(tài)。本文提出了一種采用數(shù)字傳感器網(wǎng)絡來監(jiān)控電機各點溫度，通過ZigBee網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡對接將信息傳輸到監(jiān)控中心的智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，這套系統(tǒng)避免了有線傳輸系統(tǒng)的線路鋪設，而且解決了ZigBee技術智能進行短距離傳輸?shù)膯栴}，使用GPRS技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

ZigBee技術和GPRS技術

ZigBee技術具有低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c。一臺ZigBee設備可連接多達254臺ZigBee設備，這些設備使用干電池供電，可以持續(xù)供電達一年。ZigBee技術的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍小，適用于承載較小數(shù)據(jù)流量的業(yè)務。根據(jù)網(wǎng)絡中承擔任務的不同，網(wǎng)絡設備可以分為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡路由器和網(wǎng)絡終端設備。ZigBee網(wǎng)絡根據(jù)應用的需要可以組織成星形網(wǎng)絡、網(wǎng)狀網(wǎng)絡和簇狀網(wǎng)絡3種拓撲結構。

GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎上發(fā)展起來的一種分組交換和傳輸方式，在嵌入式系統(tǒng)中應用非常廣泛。它的基本功能是在移動終端與標準數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的路由器之間傳遞分組數(shù)據(jù)。GPRS具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、永久在線等優(yōu)點，被廣泛應用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)的原理及結構

本系統(tǒng)為基于ZigBee無線傳感器、利用GPRS網(wǎng)絡傳輸匯總節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡（如圖1所示）。網(wǎng)絡采用星型拓撲結構。

圖1 電機溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構

主站的工控機通過串口與GPRS模塊通信，在電機網(wǎng)絡中每個需要監(jiān)測的電機上安裝溫度傳感器，組成傳感器網(wǎng)絡。這個網(wǎng)絡易于擴展，當有其他需要測溫的點增加時，ZigBee具有自組網(wǎng)功能，在上電時會自動監(jiān)測到新增的測溫節(jié)點。

當溫度傳感器檢測溫度信號后，經(jīng)內(nèi)含ZigBee傳感器節(jié)點RFD模塊處理后得到數(shù)據(jù)信息，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點ZigBee FFD模塊將數(shù)據(jù)信息打包處理，通過RS232與GPRS模塊相連，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可將信息實時顯示，并且具有存儲、查詢、報警等功能。

系統(tǒng)硬件電路設計

測溫節(jié)點元件選型及設計

溫度傳感器選用DALLAS公司的DSl8B20芯片，它是采用單總線的傳輸方式的數(shù)字式傳感器，使節(jié)點體積小、功耗低和外圍電路簡單。它可以提供9～12位攝氏溫度，工作溫度范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃的范圍內(nèi)精度為0.5℃。

ZigBee模塊采用HFZ-CC2530EM-V1.0模塊，它采用TI ZigBee射頻芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051內(nèi)核、128-bit ADC、2個USART以及功能強大的DMA功能等，支持ZigBee2207/Pro協(xié)議棧。該模塊引出所有可用I/O，用戶可使用片上所有資源?？煞奖愕膶崿F(xiàn)高性價比、高集成度的ZigBee解決方案。

較CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD防護能力等方便都有較大的提升。

測溫節(jié)點電源采用兩節(jié)1.5V干電池提供，CC2530采用休眠和定時喚醒模式，大大降低了功耗，延長電池壽命。

測溫節(jié)點結構圖如圖2所示。

圖2 測溫節(jié)點結構圖

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點設計如圖3所示，GPRS模塊采用天津菲利科電子技術有限公司生產(chǎn)的FK21G系列工業(yè)級GPRS無線數(shù)據(jù)透明傳輸單元（GPRS DTU），本單元設備是一種工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)遠程無線透明數(shù)據(jù)傳輸設備，利用公用GPRS網(wǎng)絡提供遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。此GPRS單元內(nèi)嵌TCP/IP、UDP/PPP協(xié)議，提供遠程高速透明數(shù)據(jù)傳輸、無線互聯(lián)網(wǎng)接入功能，并支持永遠在線。內(nèi)置原裝進口高性能西門子GPRS芯片，采用雙看門狗設計，支持工業(yè)標準RS232、RS485和USB接口。該產(chǎn)品已廣泛應用于工業(yè)監(jiān)控、智能電網(wǎng)、無線抄表、能源監(jiān)控、交通物流等物聯(lián)網(wǎng)多個領域。GPRS模塊通過串口RS232與CC2530相連。

圖3 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器結構圖

系統(tǒng)軟件設計

上位機監(jiān)控軟件

本系統(tǒng)采用北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)王上位機的組態(tài)軟件，監(jiān)控界面包括各分站分布及運行情況查詢、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和報表處理四個子系統(tǒng)。