基于ZigBee无线传感网络的扭矩监测系统的设计

孔祥涛，林明星，周生良，杨文豪

(山东大学机械工程学院，山东济南250061)

在机械传动系统中，扭矩是反映系统性能的典型机械量之一，扭矩测试己成为传动轴开发研究、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容［1］。应变型扭矩测量技术有成本低、结构简单、技术成熟等特点，具有广泛的应用［2］。无线传感网络是最近几年发展起来的多学科高度交叉、知识高度集成的热点前沿技术，ZigBee技术具有短距离、低功耗、低速率、高可靠性、组网容易等特点［3］。文中设计了一种基于ZigBee技术的传动轴扭矩监测系统，通过ZigBee技术实现车间现场传动轴扭矩的无线传输，并组建无线传感网络，将数据通过RS232串口传到上位机进行处理显示并保存数据，在工业现场监控中具有良好的应用前景。

1 ZigBee技术和CC2430芯片

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4的一种新兴近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，ZigBee的这些特点决定了其非常适合应用于无线传感网络中，在工业监控领域将会有更大的发展空间［4］。ZigBee技术的开发利用是基于ZigBee联盟制定的协议栈来实现的，ZigBee协议的基础是IEEE 802.15.4，它规定了无线传感网络的物理层和MAC层，ZigBee联盟则定义了网络层和应用层的标准［5］。

目前很多大的公司为了快速开发ZigBee网络、缩短开发周期，都在自己公司生产的无线射频芯片中植入了ZigBee协议，这其中以Texas Instruments公司生产的CC2430无线集成射频芯片应用最为广泛［6］。

CC2430是一种真正的系统芯片 (SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，及对低成本、低功耗的要求。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，它使用1个增强型8051内核，具有32、64和128 kB 3种可编程闪存和8 kB的RAM，还包含8～14位模拟数字转换器、4个定时器 (Time)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚，只需要很少的外围元器件就可构成ZigBee节点。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27或25 mA［7］。

2 网络节点的硬件设计

2.1 系统整体方案设计

该系统是基于ZigBee的无线传感网络，ZigBee网络的基本拓扑结构有以下3种:星型网络、树型网络和网状型网络，网络拓扑见图1［8］。网络中存在3种节点:协调器节点 (FFD)、路由节点 (FFD)、终端节点 (RFD)，协调器节点主要负责组建网络、收集网络中的数据处理显示以及上传到上位机;路由节点主要负责维护路由、数据采集以及转发终端节点数据;终端节点主要负责扭矩值的采集并发送数据。文中采用利于扩展节点和维护网络结构的树型网络来组建传动轴扭矩监测系统。

整个系统的工作过程为:协调器节点上电初始化后，组建网络并等待子节点加入网络，路由节点和部分终端节点上电初始化后申请加入网络，路由节点开启路由功能，大部分终端节点最后选择路由节点加入网络。网络组建后，数据采集节点利用传感器采集扭矩值并通过路由节点转发到协调器节点进行数据处理并上传到上位机。

图1 系统结构及原理

2.2 数据采集节点设计

终端节点和路由节点都是数据采集节点，其硬件电路基本相同，数据采集节点主要由电阻应变片组成的应变电桥、信号调理电路、无线射频芯片、电源处理模块等组成，基本结构如图2。

图2 数据采集节点基本结构图

工作原理是:由于传动轴受力产生变形，而使应变电桥中的电阻值改变，输出毫伏级的电压信号，经过信号调理电路的滤波和放大，传到CC2430芯片进行AD转换，将数据调制通过天线转发到协调器进行处理。

电源采用供电时间较长、功率承受高的ICR14500锂电池，标称电压为3.7 V，将两块锂电池并联延长供电时间。利用TPS61085和TL431芯片将电压稳定到5 V供应电桥电路和信号调理电路;再利用ASM1117芯片变压至3.3 V提供给CC2430射频处理模块。

应变电桥电路由4片电阻值相同的电阻应变片组成，应变片选用康铜箔制成，灵敏系数高，4片电阻应变片按±45°方向粘贴在实心或空心传动轴上组成全桥测量电路，如图3和图4所示，根据应变与扭矩的计算公式，可得出扭矩值［1］。

对于实心轴:

对于空心轴:

其中:M为扭矩;E为传动轴材料弹性模量;D为传动轴外径，d为传动轴内径;μ为传动轴材料泊松比;K为应变片灵敏系数;W为传动轴抗扭截面系数;U为电桥励桥电压;ΔE为电桥输出电压，一般为毫伏级信号。

图3 电阻应变片的粘贴方式

图4 全桥式测量电路

图5 低通滤波和放大电路

为了进一步降低干扰，对AD623的输出电压Vout再利用OPA340放大器进行RC有源低通滤波，电路图见图6。经过处理后的电压信号输入CC2430引脚P0.0进行AD转换，采用AVDD_SOC引脚电压作为参考电压。主控模块基本外围电路图见图7。

图6 RC有源低通滤波路

图7 数据采集节点基本外围电路

2.3 协调器节点设计

在一个无线传感网络中，一般只有一个协调器，负责发起组建网络，允许子节点加入网络，接收数据采集节点发送来的数据并上传至PC机。协调器节点由电源管理模块、LED显示模块、串口转USB模块、处理器CC2430通信模块等组成。电源管理模块为主协调器节点提供运行所需要的能量，采用持续供电;LED显示模块显示协调器模块是否组网成功、接收数据、上传数据等状态信息;串口转USB模块负责转换CC2430模块与PC机的通信信号;CC2430通信模块负责接收和存储数据采集节点发送来的信息，同时通过串口与PC机进行数据传输。协调器节点串口接口设计如图8所示。

图8 协调器节点串口电路设计

3 网络节点的软件设计

文中Zigbee网络中，协调器节点是网路中的第一个节点，主要功能是启动网络的建立、接收数据等。协调器节点首先执行信道扫描，若发现有合适的信道，为新网络选择一个合适的PAN ID然后进入监听状态，随时响应其他节点的入网请求，允许其加入网络并分配16位短地址，接收数据采集节点传来的扭矩值处理显示，再通过串口传给上位机，图9是协调器节点的基本流程图。系统初始化主要是针对协议栈、I/O口、AD模数转换、UART串口等进行。

图9 协调器节点基本流程图

扭矩值采集节点首先是系统初始化，再初始化协议栈，搜寻网络并发出请求入网指令，加入网络后，如果是路由节点，并处理路由功能。终端数据采集节点则随时准备数据采集并发送。图10分别是路由节点和终端节点的基本流程图。

图10 路由和终端节点基本流程图

ZigBee协议是通过服务原语进行组网通信的。协调器节点采用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语来启动一个新的网络建立。协调器建立网络成功后，其他节点就会使用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语检测是否有网络存在并申请加入。

数据采集节点扭矩采集采用电桥输出电压调理放大后输入CC2430的P0.0口进行AD转换，AD转换的软件设计见图11。

图11 CC2430芯片的ADC进行扭矩采样

4 配置监测模块

配置监测模块采用C#编写，用于对协调器节点上传的数据进行保存、显示。配置监测模块界面如图12所示，可以显示选定节点的当前值、平均值、最大值、最小值，相关函数有:

serialPort1_Initialization();初始化串口

timer1();定时触发后，发送指令

Torque_calculate_Data();计算扭矩的均值、极值

Torque_save_Data();保存扭矩数据

图12 配置监测模块界面

5 结束语

设计了基于CC2430芯片和ZigBee协议的无线传感器网络扭矩监测系统，该系统具有组网容易、体积小、抗干扰能力强等优点，为车间现场监测多个传动轴扭矩值提供了可能性，对生产安全、工人人身安全的提高具有重要意义。系统适用于传动轴旋转转速不是很高的场合，在未来的工作中，需要解决高速旋转对信号无线传输的影响。

［1］郭吉术.无线扭矩监测系统的设计［D］.济南:山东大学，2012:1－2.

［2］吴伯农，徐康宁.基于SOC的轧制力矩遥测系统的研究［J］.仪表技术与传感器，2009(5):139 －142.

［3］李伟跃.基于CC2430的无线传感网络中协调器的设计［J］.电子设计工程，2011，19(20):133 －135.

［4］杨海军，李顺利，张霖.基于Zigbee技术的棉花加工厂无线传感器网络构建［J］.中国棉花加工，2011(3):22－24.

［5］黄晓亮，徐晓辉，宋军华，等.智能家居系统中无线传感器网络的设计［J］.电子设计工程，2011，19(4):35－37.

［6］梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计［J］.电子设计工程，2010，18(2):133－135.

［7］郭栋，秦明芝，王伟敏.基于CC2430的ZigBee无线传感器网络设计与实现［J］.物联网技术，2011(1):41－43.

［8］景军锋，李嘉琨，王波，等.基于ZigBee技术的无线温度采集系统［J］.微型机与应用，2009(23):33－35.