Zigbee无线传感器网络在门式起重机上的应用贾志平1 高天水2 贾 辉2 1 交通运输部水运科学研究院 2 邯郸国际陆港有限公司 摘 要：设计了一套基于Zigbee无线传感器网络的门式起重机监控系统，实时监控起重机运行状态和故障报警，并能提供历史数据查询，为设备的维护和修理带来极大便利，也为管理层的实时决策提供依据，从而可实现港口企业的管控一体化。 关键词：门式起重机； 无线传感器网络； Zigbee 1 引言门式起重机具有场地利用率高、适应面广、作业范围大、通用性强等特点，广泛应用于各工矿企业、交通运输及建筑施工等领域。随着港口技术水平的不断提升，对门式起重机的自动化、智能化提出了越来越高的要求。为方便设备的管理与维修，需要实时监测设备的运行状态、安全数据及能耗参数。为此，笔者设计了一种门式起重机监控系统，在原有PLC——变频器控制系统的基础上进行改进，获得了较好的使用效果。 2 系统总体设计2.1 设计要求 门式起重机监控系统是起重机械电气控制系统的一部分，非独立产品[1]，要同时满足以下设计要求： (1)系统需要有高可靠性。门式起重机作为特种设备，是安全生产的重要环节，必须要保证长期运行稳定。 (2)需具备一定的先进性。随着企业智能化的不断提升，对起重机技术的先进性提出了越来越高的要求。起重机监控技术采用了数据总线技术、计算机控制技术、网络通讯技术以及多媒体控制技术等多学科知识，保证了与企业管理系统的融合。 (3)需具有较好的交互性。监控系统应提供清晰的交互画面，便于设备操作人员在较短时间内熟悉和掌握系统的操作和使用方法。硬件系统的原理设计简洁，元器件布置和选型合理，便于维修更换。 (4)系统具有可扩展性。监控系统应扩展升级方便，增加节点简单，满足不同的起重机的使用需求。 2.2 设计方案 本监控系统根据数据获取途径的不同分为两大子系统：Zigbee无线数据采集系统和起重机监控管理(CMS)系统。Zigbee无线数据采集系统包括采集模块及物联网无线数据终端模块，采集模块负责对具体的物理量进行采集，并将物理量转变成电信号，物联网无线终端模块将电信号转变为数字量，并通过Zigbee网络发送给ZIgbee协调器[2]。系统平时处于休眠状态，当设备开机后，唤醒各节点开始工作(见图1)。 CMS系统包括上位机、主站(西门子S7-300)、从站(西门子ET200分布模块、4个安川H1000变频器)。主站与从站采用PROFIBUS通信，上位机与主站采用工业以太网通信。上位机为工业一体机，同时具备工控机及显示器功能，可对历史数据进行存储，便于查询。  图1 Zigbee无线数据采集系统工作原理 3 系统硬件设计3.1 Zigbee数据采集子系统 本系统选用的Zigbee数据传输模块是一种基于IEEE802.15.4/Zigbee技术的嵌入式无线数据传输模块，具体技术参数如下： MCU芯片：工业级Zigbee芯片 户外通信距离：500 m 发射功率：2.82 mW(+4.5 dBm) 通信理论带宽：250 kbps 网络拓扑结构：点对点、点对多点、对等和Mesh网络 工作电压：2.0～3.6 V 3.2 采集模块 3.2.1 模拟及数字I/O Zigbee子系统采集的模拟量主要包括力传感器、风速传感器、温度传感器等，采集的数字量包括2个起升制动器动作限位。每个Zigbee模块集成5路I/O口。2路数字I/O口。3路数字量与模拟量共用I/O口，模拟量I/O采集分辨率12位，电压采集范围为0～5VCC。共用I/O口在使用时需配置相应参数，并使能I/O功能，引脚命令参数说明见表1。 表1 引脚命令参数说明  引脚命令参数说明0不使用1模拟量输入2数字量输入3数字输出低电平4数字输出高电平5脉冲计数 3.2.2 智能电表 智能电表是智能电网的智能终端，除具备传统电表基本用电量的计量功能以外，还继承了电流互感器、集成计量芯片、微处理器、温补实时时钟、数据接口设备和人机接口等功能。可以将来自电压分压器、电流互感器的模拟信号转换为数字信号，并对其进行数字积分计算，从而精确地获得有功电量和无功电量。 本系统采用的电表具有2个独立的RS485串口通信口，Zigbee模块可通过串口通信接口读取三相电压、三相电流、三相功率因数、用电量、电源频率、总有功电能、总功率因数、电源频率等能量数据。 3.3 CMS系统 CMS系统基于原有控制系统对数据进行采集。原控制系统采用Profibus网络进行通信，由S7-300作为主站，4个变频器及1个远程柜中的ET-200M分布模块作为从站。工业一体机通过工业以太网与PLC进行通信，采集实时数据，并将处理后的数据存储到数据库，便于查询。 4 系统软件设计本文设计的无线传感器网络一个网络协调器为中心、多个终端传感器为节点组成。终端传感器节点负责监控处理任务，定时发送传感器信号；协调器上电后组建网络并添加设备，其他设备节点上电后自动加入网络，与协调器自动组网，终端传感器节点和路由器的网络地址由协调器按照地址分配算法统一分配。 4.1 终端传感器节点软件设计 终端传感器节点采集传感器信号，并将数据发送至协调器，也可以接收协调器发来的命令。节点定时采集数据，未采集时处于休眠状态。节点在休眠期间，如果有外部中断或定时器中断，节点会恢复到工作状态，开始执行任务。事件响应子流程图见图2。  图2 节点事件响应子流程图 进入事件响应程序，传感器节点根据协调器发来的指令信息进行动作，若收到协调器传来的命令，则执行该命令，并返回；若协调器没有发送命令，传感器节点则进行传感器数据采集。 4.2 协调器软件设计 上电后，协调器首先对系统硬件及软件进行初始化，再信道扫描，找到一个其他网络没有使用的信道，建立网络，并设定拓扑参数。当收到有节点加入网络的请求时，协调器给该节点分配物理地址、网络地址。协调器软件流程见图3。  图3 协调器工作流程图 协调器负责接收所有节点传来的传感器数据，并将传感器数据上传至监控工控机以便实时监测。协调器也可根据上位机的指令向终端传感器节点发送命令。终端传感器节点发送数据后若没有得到协调器应答，则定时重发。协调器长期处于工作状态，无休眠状态。 在协调器串口发送数据时间响应程序中，协调器判断是否有来自终端传感器节点的无线数据接收，若有，则对串口进行初始化，将数据发送给上位监控工控机。事件响应程序流程见图4。 5 结语本文针对门式起重机设备，提出了一种基于Zigbee无线传感器网络的监控系统设计方案，可实现监控系统的基本功能。随着门式起重机检测技术的不断发展，该监控系统的功能会继续提升，包括钢结构的寿命评估等都可以作为该系统的采集基础。另外，若将该系统接入到港口的管理网络，将能实时掌握设备的运行状态，既有利于设备的管理与维护，也为管理层的实时决策提供依据，实现港口企业的管控一体化。  图4 事件响应程序流程图 参 考 文 献： [1] GB/T28264-2012起重机械安全监控管理系统[S]. [2] 王小强，欧阳俊，黄宁林.Zigbee无线传感器网络设计与实现[M]. 北京：化学工业出版社，2012. 贾志平： 100000，北京市海淀区西土城路8号 The Application of Wireless Sensor Networks in the Gantry Crane Jia Zhiping1 Gao Tianshui2 Jia Hui2 1 The Ministry of Transport Water Transportation Research Institute；2 Handan International Land Port co., Ltd Abstract：A set of monitor system based on Zigbee wireless sensor networks for gantry crane is designed, which provides real-time monitor of crane running state and fault alarm and historical data query. The system brings great convenience for maintenance and repair of equipment and the basis for the management of real time decision. The management and control integration of port enterprises is realized. Key words：gantrycrane; wireless sensor networks; Zigbee 收稿日期：2016-09-27 DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.018 |
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