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1、基于无线传输的设备状态监测系统基于无线传输的设备状态监测系统成都安莱格科技，中国成都，430083摘要摘要：设计了一种无线传输的工业设备状态监测预警系统。该系统结合了单片机、无线通信及电脑信息管理等技术，采用低功耗 ATMEGE88 单片机和 CYRF6936 无线数据收发模块实现设备点检、数据采集和远距离无线传输；并提出了基于无线设备标识牌技术的设备编码与测试流水号灵活配置的方案，以实现设备运行状态实时在线/离线监控。关键词：关键词：单片机 数据采集 无线传输预警系统Equipment Condition Monitoring SystemEquipment Condition Monito
2、ring SystemBased on Wireless TransmissionBased on Wireless TransmissionChengDu ALG Technology CO.,LTD., ChengDu 430074, PRC Abstract:Abstract: An equipment condition monitoring and early-warning system is designed, which combined technologyof microcontroller, wireless communication and computer mana
3、gement system. Low power ATMEGE88microcontroller and CYRF6936 wireless module for receiving or transmitting data are used to implement taskssuch as equipment route inspection, data acquisition, and remote wireless transmission. Based on wirelessequipments identification technique, the paper proposed
4、 a flexible scheme to realize the equipment coding,sequence number test, and real-time online or off-line monitoring for equipment running status.Keyword:Keyword: Microcontroller, Data acquisition, Wireless transmission, Early-warning system引言引言现代技术的不断发展，使设备故障的预测在生产过程中已显现得尤为重要。检修计划的合理制订、生产成本的有效控制、安全
5、事故的预防与防止、费用重复投入等无不与设备在线运行工况息息相关。随着无线通信网络的不断发展 , 其传输速率不断提高， 数据传输业务的不断增加使得无线通信技术正在进入自动控制领域。本文介绍一种基于无线数字网络通信技术的设备状态监测系统，可以完全替代传统的数据采集与数据传输模式。1.1.系统组成及工作原理系统组成及工作原理系统总体框图如图 1 所示。分为四个组成部分：信息处理和管理电脑系统、无线传输信号中继器、数据采集及传输部分。该系统为三层工作方式， 其中在线式无线点检设备与离线式无线点检设备为最底层(即第三层)工作设备，主要功能为数据采集与发送，无线网络通讯系统工作在第二层，它将分布在各个区域
6、点检数据用接力方式进行远距离无线传输。采用 2.4 GHz 的通讯频段，为直序扩频通讯方式，抗干扰能力较强。电脑预警数据管理系统为最高层，属管理层面。各点检测数据通过在线监测设备和离线监测设备被送入无线通讯网络，再由无线通讯网络系统送入电脑数据库，通过电脑预警管理系统，提交给设备管理人员使用。系统服务器工作站LAN无线接收中心机无线中继器数据采集器图 12.2.硬件及软件设计硬件及软件设计2.12.1 数据采集及无线传输硬件设计数据采集及无线传输硬件设计硬件电路采用模块化的设计方法，包括传感器与信号调理单元，数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元等，可根据需要增减相应的模块完成
7、目标电路设计，如无线温度传感器包括所有的模块，无线传输中继器只包含数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元。数据采集单元负责采集传感器信息并完成数据转换，采集的信息包含温度、振动、压力等；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、数据传送方式、功耗管理以及任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信；电源管理单元为电路提供稳定的电源供给，在睡眠和正常工作模式时切换外围模块电源供给。系统框图如图 2 所示。无线传感器、无线传输信号中继器、无线数据接收中心机、无线设备标识牌均采用 ATMEGE88 单片机结合CYRF6936 单片射频芯片作为系统的核心。传感器模块定时采集现场数据，经必要的转换
8、处理后经 CYRF6936射频芯片按系统定义通信协议传送给距离最近的无线中继器。无线中继器将该数据直接或通过其它无线中继器传输至无线数据接收中心机。 接收中心机将接收数据通过MAX232转换为RS232格式数据发送给主电脑。传感器Atmege88CYRF6936MAX232PC机串口图2AVR单片机的单周期指令能够保证高的执行效率和低成本，是8为微控制器中性能较高的器件。ATMEGE88单片机含8K字节的系统内可编程Flash， 512字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM，23 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C), 片内/ 外中
9、断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，一个SPI 串行端口， 8 路10 位ADC， 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU 停止工作，而SRAM、T/C、USART、两线串行接口、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ATMEGE88可为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。CYRF6936为基于2.4GHz WirelessUSB LP射频片上系统的
10、无线收发模块。它仅需21mA的工作电流，具有高达1Mbps的数据传输速率和低于2ms的平均延迟。运用了直接序列扩频(DSSS)技术，能有效阻止来自于诸如802.11b/g、蓝牙、无绳和微波炉等其他技术的频率干扰。系统独创无线离线点检模式，采用电池供电的设备标识牌，平时处于休眠状态，仅在设备编码流水号设置和离线点检时发送设备编码号及该设备数据采集模块流水号。设备检查人员采用手持设备检测仪，按动开关则可将该设备的设备编号及流水号读出，同时将测点的数据打包发出。每台设备可共用 1 个设备 ID号，可以有多个测试点的流水号。既可以在线测量时为数据采集模块提供流水号，又可以在采用离线检测设备时提供设备
11、ID 号和流水号。从而到达自动检测和人工手动检测时设备ID 号和流水号灵活配置。2.22.2数据采集及无线传输软件设计数据采集及无线传输软件设计数据采集和传输程序是传感器模块程序的核心，其设计的优劣直接关系到系统功耗和通信的可靠性，较低的功耗能保证传感器在不增加电池容量的情况下延长其使用寿命。为保证有较低的功耗，除在硬件电路设计时尽可能的减少器件数量和选用低功耗的器件外，在程序上采用间隙工作的方式。在数据采集和数据传输过程中，微控制器首先完成数据采集和传输后关闭传感器和数据采集单元电源，微控制器进入掉电模式， 只有一个低功耗定时器运行， 保证在设定的时间间隔后能再次采集和传输数据。 图3为系统
12、程序框图，图4为ATMEGA88从掉电模式被定时器中断唤醒后的程序流程。开始从掉电模式中唤醒初始化 ATMEGA88外中断、SPI 等采集数据数据处理初始化 CYRF6936数据发送设置数据采样间隔进入掉电模式进入掉电模式图 3图 4要实现传感器与无线中继器的通信，需要对 CYRF6936 进行初始化配置和用户程序设计。发送和接收程序流程如图 5 所示。ATMEGA88 通过 SPI 口对 CYRF6936 进行参数设置，并启动发送或接收，程序采用中断接收，中断发送。CYRF6936 的 IRQ 引脚与 ATMEGA88 外中断 0 连接，数据发送和接收完成共用一个外中断 0，在中断程序中判断
13、发送是否完成或有收到数据。在发送数据前需先判断无线传感器是否已经找到作为其父节点的无线中继器，已找到父节点则发送已采集数据；没有则先发送申请加入网络命令帧，并等待应答，在设定的等待超时内收到无线中继器的应答，将改无线中继器作为无线传感器的父节点，向父节点发送已采集的数据。如没有收到无线中继器的应答则退出，进入低功耗模式，等待下一次发送时间到来，发送数据的流程图如图 5。开始发送加入请求已加入父节点收到应答Y发送数据帧Y收到应答Y重发次数 3发送完成Y退出学习文档 仅供参考Y图 52.32.3 信息处理和管理电脑系统信息处理和管理电脑系统设备运行监控管理系统采用 Access 数据库和 VB 语
14、言编程。主要功能是接收数据采集机经中继器转发送过来的现场数据，并实时显示和处理。在对PC 机串口通信进行编程时，利用 MSComm 控件提供的事件驱动方式，当串口发生事件和错误时，MSComm 控件会产生 OnComm 事件，用户程序可以捕获该事件完成数据的接收和校验，假设通过校验，则进行相应处理，否则，发出错误信息并要求继续发送数据。设备运行监控管理系统的主要功能包括：(1)设备数据库管理功能：包括数据库创建、数据库维护、数据库查询。(2)数据采集功能：系统自动接收无线网络发送回来的数据，根据设备位置码存入数据库以供分析、处理。(3)参数曲线图显示功能：根据历史数据绘制参数曲线图，使设备在某
15、个时间段内的运行状况更加直观。(4)点检计划管理功能：根据不同的管理模式制定巡、点检计划，考核点检计划完成情况等。(5)超限实时报警功能：采集的数据超过设备运行时的正常范围，系统以声音和画面提示两种方式报警。(6)统计报表功能：根据用户需求制定各种设备运行报表。(7)设备诊断及维修工单打印功能：根据采集的数据系统可分析、预诊断设备故障，打印设备维修、维护工单。(8)提供与其他系统数据接口功能：系统提供与其他系统的数据接口，可与其他数据库共享。3 3结论结论设备运行监控管理系统已经在某大型钢铁集团现场投入使用一年多。运行中，该系统大大减少了工人目前，该系统可处理的现场设备包括：压力、温度、振动、
16、交直流电参数等数据的采集和监控。并可劳动强度和时间，提高了测量精度和数据处理的准确性，实现了自动数据处理和曲线绘制。按照用户生产中的要求开发出更多性能的检测项目，同时进一步提高采集数据的精度和速度。可实现企业内数据的共享。及时地获取生产设备的运行数据，对于实现遥控测量和满足先进制造技术对测控技术的要求有着重要意义。参考文献：参考文献：1具有8K系统内可编程Flash的8位微控制器ATmega48(V)88(V)168(V)M,2545DAVR07/042Cypress WirelessUSB Radio IC,CYRF6936 at (:/cypress)3Cypress Micro Systems, Inc. PSoC Mixed Signal Array Technical Reference Manual Version 2.10. CypressMicro Systems, 20054李刚，张志宏。蜜蜂的舞蹈zigbee的无线网络技术和应用。电子产品世界J 2006,2
