一种基于Zigbee的扭矩扳子检定系统设计*
2014-03-22李张标余善成秦树伟
李张标 余善成 秦树伟
(宁波市计量测试研究院,宁波 315048)
0 引言
扭矩扳子也称扭矩扳手、扭力扳手或力矩扳手,用来紧固螺钉、螺栓、螺母等紧固件时所需控制施加的力矩大小,以保证能将其紧固且不至于因力矩过大而破坏螺纹。
扭矩扳子是通过扭矩扳子检定仪来校准其示值是否正确,以达到保证扭矩量值的准确性。扭矩扳子检定仪有机械式、液压式和电子式三种。目前使用的扭矩扳子检定仪大多为电子式,电子式扭矩仪是将被检扭矩扳子的扳头与扭矩传感器的棘轮孔同轴串接,当在扭矩扳子尾部直接或间接施加扭矩时,传感器产生相应的电信号,经放大、A/D转换、峰值保持,最后在数字指示装置上显示出来。
机械式、液压式与电子式扭矩扳子检定仪目前均需人工数据采集、记录及处理,对被测扭矩扳子的质量分析也是要通过人工操作才能进行。即使电子式扭矩扳子检定仪自身虽具备数据读取、显示功能,但大多功能简单,主要是通过扭矩传感器将扭矩信号转变成电信号并直接显示扭矩值,只具有显示功能,无数据存贮及处理功能。这就亟需对智能化扭矩检测进行方法研究并进行系统设计,将检定仪与PC机对接,使测试数据能够被读取、传输并存储在数据库中,在PC机中进行分析、处理、统计。这不仅提高了扭矩扳子测试的工作效率,更保证了检测结果的准确性。
扭矩传感器的使用受量程的限制,下限使用范围是扭矩传感器量程的20%,所以在实验室中要解决被测扭矩扳子量程连续的问题,就必须配备多台扭矩扳子检定仪,一般在实验室中如配置到20~2000Nm测量范围,就必须配备7~8台扭矩扳子检定仪。如果每台扭矩仪配备一台PC机,则势必造成资源的浪费。因而有必要解决这一现实问题,实现一台PC机对应多台检测仪数据处理终端。
宋谦等人提出一种基于Zigbee的无线扭矩测量系统[1],郭吉术提出一种基于NRF2401的无线扭矩监测系统[2],张德龙提出一种基于蓝牙的无线扭矩测量系统[3],但对多台检定仪组成的传感器网络都没有给出解决方案。相比蓝牙、GPRS等其他无线数据传输方式,基于Zigbee的无线传输平台具有稳定性好、成本低、协议简单、抗干扰能力强、功耗低等优点。本文设计了一种基于Zigbee的扭矩扳子检定系统,可以将多台检定仪组成无线网络,完成检定校准工作。
1 系统工作原理及结构
如图1所示,该系统由若干台扭矩扳子检定仪及一个无线数据收发平台组成。扭矩扳子检定仪在检测过程中产生的数字信号通过RS232接口连接到无线发送装置,由无线接收终端将信号接收,再通过RS232接口传输到控制平台,由控制平台将信号进一步处理。
图1 系统原理图
该无线数据传输系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术,采用了基于Zigbee技术的XBee-Pro芯片,该芯片功耗低,发送状态工作电流为215mA,接收状态工作电流为55mA,待机工作电流为10μA,该芯片工作频率为2.4GHz。扭矩扳子检定仪采用电子式扭矩仪,该检定仪在检测扭矩扳子时能够通过RS232接口发出实时扭矩值的数字信号,将无线收发模块与RS232接口连接,构成了网络中的一个子节点。在接收端,利用PC机的串口与无线接收端连接,使用基于VC++语言开发的检测系统对数据进行分析处理。
2 基于Zigbee的数据通信平台设计
由于Zigbee技术具有强大的无线组网能力,可以组成星型、树型和网状网,本设计根据系统特点,选用了组网结构简单的星型网络结构,即点对多点的通信方式。心节点为Zigbee协调器,子节点为Zigbee终端设备,所有数据经过中心节点。
系统采用Microchip的开源Zigbee协议栈,该协议栈是Zigbee的精简协议栈,实现了大部分功能。主要包括以下几个部分:
1) IEEE802.15.4部分,由XBee-Pro芯片提供物理层和MAC层功能;
2)上层协议,使用成熟的协议栈;
3)用户程序,根据Zigbee规范的规定,应用各厂商提供的API函数来实现Zigbee的全部功能,进行组网开发[4]。
系统的数据交换方式为半双工方式,为了避免同频干扰的问题,且在检定校准时通常只有一台扭矩扳子检定仪在工作,其他的处于非工作状态,故通信采用时分复用技术,检测主机通过扫描的方式与各个发送端进行点对点双向通信。检测主机收到上位机发出的检测命令后向系统中某一远程检测分机发出分机地址代码,每个分机收到地址代码后被寻址的分机返回本机地址给主机,其他分机进入休眠状态。在判断地址相符后主机给被寻址的分机再发送请求数据控制命令,被寻址分机根据其命令进行检测,并将检测数据向主机发送,检测和数据发送结束后发出结束代码。主机接收数据包后进行校验,若校验正确,则发送握手信号,否则重新请求数据,直到数据全部正确为止。一台分机检测结束后主机把扭矩数据通过RS232接口传送到计算机,然后进行下一个分机检测,直到所有分机扫描一遍为止。在扫描过程中某一个分机规定时间内没有应答,则重新发送该机地址代码,仍无应答信号,就显示通信失败或分机故障报警。采集完毕后由系统上的 Zigbee 终端节点发送请求,等待协调器接收采集到的信号,接收完毕后,协调器将数据上传给计算机。
3 扭矩扳子检测软件设计
扭矩扳子检测系统与无线数据传输平台传输数据时,首先对设备进行初始化,寻找网络。与无线传输平台联网成功后,登陆到系统界面,通过按键触发进行扭矩信息在无线传输平台上的传送。当各个终端节点的扭矩采集数据通过平台传送到终端之后,终端通过串口将接收的数据传送给PC机处理。
设计选择的数据库为Access2003,程序开发工具为VC++6.0。系统使用VisualC++6.0中MSComm控件进行串口数据接收,并且使用事件驱动法进行程序设计。利用MSComm控件引发OnComm事件,应用程序在捕获该事件后,检查MSComm控件的COmmEveni属性,若为接收属性则接收数据,并进行数据处理。
数据处理则是按JJG 707—2003《扭矩扳子检定规程》编写的[5],具备数据处理功能,即软件可对所有数据进行自动处理,形成原始记录,这样能大幅提升工作效率。为便于维护与管理测量数据,若需查询数据,可通过检索型号规格、检定时间、证书编号、有效期限、器具编号、送检单位等信息来实现。同时,可以进行各种扭矩单位的换算,即将输出的N·m换算成kgf·m、lbf·in、lbf·ft等单位,并具有扭矩扳子的加载曲线图生成功能。
4 结论
Zigbee技术是一种短距离、低功耗、低成本的无线网络技术。本系统将Zigbee技术与扭矩扳子检定结合起来,最终实现了多台扭矩扳子检定仪使用一台PC机实时处理检定数据的工作,将检定校准的计量器具信息及数据存在数据库中,可供日后查询,并严格按照检定规程完成整个扭矩扳子的检定校准工作,降低了人为因素在检定校准工作中产生粗大误差的概率,并大大提高了工作效率。
[1]宋谦.基于Zigbee的无线扭矩测量系统研究[J].传感器与微系统, 2013,32(6)
[2]郭吉术.基于NRF2401的无线扭矩监测系统[J].仪表技术及传感器,2012(12)
[3]张德龙.基于蓝牙4.0的无线扭矩测量分析[J].网络与信息工程,2013(15)
[4]张芸薇.基于ZigBee无线传感网数据采集的设计与实现[D].大连理工大学,2013
[5]JJG 707—2003 扭矩扳子计量检定规程