基于CC2530的无线阀位变送器的设计

李金喜，陈继永

（江苏工程职业技术学院，江苏 南通 221006）

0 引言

随着船舶大型化及自动化技术的不断发展，根据国际规范的要求主要用于监控船舶压载水系统、舱底水系统以及货油装卸系统等管路上的遥控阀门状态的船舶阀门遥控系统，已经在各类新造船舶中得到了广泛的应用［1］。其中，船舶压载水系统在进行压载水排放过程中，需时常调节压载水阀门开度的大小，为了有效操作，工作人员需知道阀门的开度状态。当前采用的阀门开度检测方式主要是通过电位器检测阀门转角，然后将电位器信号转换成4mA～20mA的标准电流信号，通过多芯船用屏蔽电缆送至控制台，最后经AD转换送至计算机系统。由于压载水管系阀门多安装在船舶底层空间较小的管道舱内，现场布线条件艰苦，施工量较大，且维护及系统升级较不便。如采用无线方式实现阀门开度的信号传输，可节约大量电缆及安装维护成本，经济性较好。因此，本文提出了一种基于CC2530射频芯片设计的，利用角度传感器实现压载水管系液动蝶阀阀位检测，并可进行无线通信的无线液动蝶阀阀位变送器设计方案。该变送器实现了对液动蝶阀阀门位置采集的无线化，节省了系统配置成本及安装复杂度，具有经济型及可维护性较高等特点。

1 阀位变送器总体设计方案

1.1 阀门遥控系统

阀门遥控系统可根据操作人员的要求，对管道阀门进行远距离操纵和控制，同时能够实时监测显示遥控阀门的开关状态，对有开度控制要求的阀门实现阀门开度显示。目前新造船舶中阀门驱动装置的动力源多为液动装置，完整的阀门遥控系统包括集控台、液压动力泵站、电磁阀箱及液动阀门。

阀门遥控系统工作原理如下：液压泵站提供阀门开、关动作动力源，电磁阀箱中的换向阀通过转换工作油路控制驱动头的往复运动来控制阀门的开关动作；阀门位置信号取自阀门驱动头内的检测装置，通过船用电缆将阀门位置信息送至控制台（箱），信号经处理后送监控计算机系统；压载水管系中使用的多属于旋转式阀门的液动蝶阀，可进行90°旋转操作，实现管道的开、闭功能［2］。

1.2 阀位无线传输总体方案

针对当前阀门遥控系统中阀位检测系统的弊端，以有开度控制要求的液动蝶阀为研究对象，设计了一种基于无线传感网络技术的无线阀位变送器，实现了对液动蝶阀阀门位置的检测及检测信号的无线传输。在阀门遥控系统中，阀位变送器将采集到的阀门位置信息通过无线的方式传输至安装在管道舱内部的协调器，协调器通过串行通信的方式将阀门位置信息传送至监控计算机。采用无线阀位变送器的新型阀门遥控系统配置图如图1所示。

考虑到阀位变送器的升级及后续在电动、电液及其他类型阀门上的应用，采用模块化设计思路对变送器硬件进行设计。该变送器硬件结构主要包括电源模块、传感器模块、处理器模块和无线收发模块，其结构框图如图2所示。电源模块负责为节点供电，提供各部分运行所需的电量；传感器模块负责采集阀门位置信息并做一定的数据转换；处理器模块负责对整个变送器节点进行控制和管理；无线收发模块负责节点之间按一定的通信协议相互通信。

2 系统硬件设计

2.1 阀位检测系统

由于压载水管系所用阀门对控制精度要求不高，在实际使用中，大多通过在阀门驱动头中安装的角位置传感器来获得阀门阀杆的转动角位移，从而得出阀门的开度，达到阀位检测的目的［3］。其中，角度传感器多为旋转式电位器。为了获得较好的线性关系，选取电位器中间段变化，两端对应阀门的全开全关，这样就使得机械信号变成了电阻信号。通过分压电路，使之转变成电压变化。其工作原理是：由阀门控制装置带动阀门旋转的同时带动电位器旋转，阀门开度不同，则电位器的分压不同。

图1 无线阀门遥控系统配置图

图2 变送器结构框图

电位器通过分压将阀门的开度转换成电压信号传给电压跟随器，由电压跟随器将该电压信号传给单片机内部自带的AD转换器，AD转换器将电压信号转换成数字信号，由单片机进行数据处理并转换成阀门开度信号，通过无线通讯的方式借助协调器传给集控台计算机。阀位检测电路如图3所示。

图3 阀位检测电路

2.2 主控芯片

主控芯片CC2530单片机是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议的2.4GHz无线射频单片机。同时，CC2530可以配备TI公司的RemoTI，Z－Stack或SimpliciTI等专有或标准兼容的网络协议栈来简化开发［4］。该芯片硬件方面，内部自带ADC，集成高性能的RF收发器，具有出色的低功耗功能；软件方面，提供开发便捷的协议栈，为变送器的开发提供了很大的便利。

2.3 无线收发模块

无线收发模块的性能对该变送器的使用性能产生了较大的影响。其中，天线及巴伦匹配电路的设计对射频通路指标及通信距离、系统功耗有较大的影响，决定了无线收发模块功能的好坏。CC2530内部集成的高性能RF收发器采用差分的方式完成对射频信号的传送，而天线为单端口，故在设计中，选用巴伦匹配电路来实现差分到单端口的转换。图4中C11，L1，C10和L2构成巴伦电路。

图4 巴伦匹配电路

3 系统软件设计

3.1 ZigBee协议栈

采用ZigBee无线通信技术进行无线数据传输。软件设计过程中，为了简化设计的复杂程度，增强软件开发的灵活性及后续功能扩展的便利性，采用TI公司提供的基于ZigBee标准的Z－Stack协议栈。该协议栈包含了ZigBee标准描述的各层次的功能组件模块，向开发人员提供了一系列的API接口，通过调用这些API接口可实现ZigBee标准中各层次的相应功能［5］。各功能组件模块的任务调度方式是：为需要实现的功能建立任务，且每一个任务有不同的事件；若某个任务有事件发生，则调用任务事件处理函数，并判断是什么事件发生，然后系统进行对应的操作；当没有任务事件发生时，系统进入低功耗模式，在低功耗模式下，若有事件发生，则唤醒系统进入中断处理事件，事件处理结束后继续进入低功耗模式［6］。

3.2 变送器节点程序设计

图5为变送器节点的软件流程图。

变送器终端节点负责采集阀门阀位信息，并将数据传送给协调器，最终上传给上位机处理。处理过程中，阀位变送器终端节点定时检测阀位信息，并发送本节点的阀位数据。变送器终端节点大部分时间处于低功耗模式，此时变送器节点关闭传感器模块和无线通信模块，停止采集阀位信息和发送数据，只保留CPU内部定时器和中断。

图5 变送器节点流程图

4 结束语

本文通过对阀门遥控系统及ZigBee无线传感器网络技术的研究，设计了基于射频芯片CC2530的无线阀位变送器，该变送器可应用于压载管系阀门遥控系统，实现对液动蝶阀阀门开关状态及开度的检测及无线传输。对阀位信号采用无线传送也是本设计的创新之处，采用无线传输给阀位检测带来方便并在成本、空间、功耗、灵活性等方面具有明显的优势。

［1］林锐，刘辉，张轩.船舶阀门遥控系统的研究与分析［J］.流体传动与控制，2007（11）：15－16.

［2］甘辉兵，张建，张均东，等.基于PLC的船舶阀门遥控及液位遥测系统的设计与实现［J］.大连海事大学学报，2007（12）：149－151.

［3］李文江，杨清翔.基于单片机的阀门开度智能检测表［J］.仪器仪表用户，2005（6）：49－50.

［4］龚文超，吴猛猛，刘双双.基于CC2530的无线监控系统设计与实现［J］.电子测量技术，2012（6）：33－36.

［5］孙兵.太阳能风能电站远程监控技术［M］.北京：中国铁道出版社，2013.

［6］董建怀.基于CC2530的电流及温度监测系统的设计与实现［J］.厦门理工学院学报，2011（9）：59－63.