基于ZigBee的高炉齿轮箱温度监控系统设计

2015-11-15姚竹亭

中国测试 2015年6期

马昆，姚竹亭

（中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051）

0 引言

对高炉齿轮箱而言，一旦温度过高，会产生不可预知的结果，如轴承与齿轮破损、润滑油老化，严重的可能导致高炉休风停产[1]；因此，对其进行温度监测十分必要。然而传统的监测方法一般通过有线方式（RS485、CAN总线等）[2]进行数据传送，这种方法成本高且可靠性差，并且在一些恶劣环境下，有线网络布线麻烦、设备不能随意移动。因此，某一钢铁厂提出利用无线通信采集数据的改革方案，无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包括MAC层、路由、网络层、应用层等）[3]，通过比较多种无线通信技术最终选择了ZigBee无线技术。该方法节点分布广，能解决铺设线路困难的问题，并且无需人员到现场进行排查。由此可见，将ZigBee技术应用于温度监控中具有较好的现实意义和实用价值。

1 下箱体温度场分布

为更精确地确定传感器放置的位置与报警温度，将在三维软件中已经建好的下箱体实体模型导入到Ansys中对其进行温度场分析，如图1所示。从图中不难发现，由于在下箱体底部有润滑油，所以温度较低，箱体壁有冷却水经过故温度也较低。但对于上部而言，由于有上箱体的遮盖，散热性较差，所以温度较高。综合上述分析与生产实际，最终将报警温度确定为50℃，将传感器放置在高炉齿轮箱的倾动装置处。

图1 下箱体温度场分析

2 系统结构设计

如图2所示，整个监测系统由协调器、若干路由器和若干温度传感器节点组成。最下部为传感器终端节点，向上依次是路由器、协调器和上位机。其中，终端节点负责采集数据；路由器主要负责识别终端节点的网络地址并选择合适的网络路径传输给协调器，是建网的主要环节；协调器负责发起网络并对其进行管理和维护，对新加入的设备分配网络地址并管理节点的加入和离开等，并且将采集的数据上传给上位机或者是上位机对网络发送命令，协调器是建网的核心[4]。

图2 系统结构图

2.1 系统硬件设计

2.1.1 传感器模块

本系统的传感器是采用1-Wire接口的DS18B20，它与CC2530进行通信时仅需要一个I/O口。传感器温度测量范围-55~125℃，并以0.5℃递增。以9位数字量的形式反应器件的温度。系统选择独立供电的方式，信号线通过一个5 kΩ的电阻上拉至VCC即3.3 V。CC2530 是基于 IEEE802.15.4 协议而开发出来的ZigBee芯片。工作在2.4GHz ISM频段支持16个250Kb/s信道[5]。

2.1.2 协调器路由器硬件设计

协调器和路由器在硬件结构上大体一致，均设计了RS-232接口。协调器通过它与上位机进行通信，而路由器在协调器破坏时可以直接通过它与上位机进行数据传送。在本系统中采用光电隔离式RS-232接口[6]，不仅可以保护器件免受总线上的高压危害，同时能有效减小系统间数据传输的错误，增强抗干扰能力，使通信稳定、安全、可靠。改善了普通232接口在传统采集过程中易受干扰的缺点。

2.2 改进路由算法

由于终端节点与上位机之间的距离不一，所以采用多级跳转的方式进行数据采集。由系统结构图不难发现，在数据传递过程中若依照传统树状路由原则，必然导致路由节点1的能量消耗明显大于路由节点2，导致关键节点（路由1）的早死。为避免这种情况，并且延长系统的工作时间以满足高效生产的要求，故采用改进的路由算法。这种路由相较于一般路由主要的区别在于软件配置方面，即该路由配置有一个邻居表。在该邻居表中包含节点的当前能量值并计算出每个FFD节点的能量阈值。在数据传输过程中各个FFD节点根据自己的剩余能量状况判断是否参与数据的转发。针对本系统而言，当关键节点（路由1）能量大于该阈值时，依传统树状路由原则进行路径的选择，当关键节点每进行一次数据传递，程序内的能量值就减少相应的数量，当关键节点能量接近阈值时，为了使系统延长工作寿命，选择其他节点（路由2）进行数据传输[7]。通过假设单个传输路由能耗，对具有不同节点数量的系统进行仿真，得到平均能耗如图3所示。

图3 路由平均能耗

2.3 系统软件设计

2.3.1 ZigBee组网

首先对放置于主控室内直接与电脑相连的节点进行配置，将其设为协调器，上电后对硬件设备初始化，协议栈初始化[8]。当协调器发出原语（NLME_NET WORK_FORMATION_request）后就意味着一个全新的ZigBee网络开始建立，在此之后要对可用信道进行相应的扫描。而路由节点与终端采集温度节点加入网络须完成两个步骤：

1）NLME_NETWORK_DISCOVERY_request请求原语发现刚刚初始化成功的协调器；2）加入上一步发现的网络，这步通过NLME_JOIN_request（参数配置为FALSE）请求原语来完成。当各个节点成功加入网络后需将自身网络地址发送给协调器进而传送到上位机，便于上位机依据接收到的网络地址发出温度数据采集指令，命令对应的传感器节点进行温度采集，而后将采集到的温度值打包发送回来。这样便实现了ZigBee网络的连贯作业[9]。

2.3.2 数据采集与分析

LabVIEW作为上位机实现温度监测。因系统应用于实际生产所以要求监控界面简洁明了，操作简单便于工人维护。ZigBee与上位机的通信由LabVIEW的VISA库函数来实现。利用VISA与ZigBee通信主要有以下步骤：首先进行串口初始化，将二者的串口参数设置一致；向ZigBee发送节点查询指令，延时一段时间，待ZigBee回复后读取节点地址；进行节点监测数据的识别。每个扫描周期重复上一步读取各个节点的地址并进行数据识别；从串口读取指定节点的温度数据，保存数据至Excel表格[10]。在采集时为各个节点设置不同的发送数据时间间隔，避免发生数据碰撞。整个监测系统能够时监测各个终端节点的温度数据，观察数据走势，将数据记录于表格并进行高温报警指示。LabVIEW监测前面板如图4所示。