基于CC2530的电机无线监测系统的设计研究

李 平，张晓宇

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

基于CC2530的电机无线监测系统的设计研究

李 平，张晓宇

(华北科技学院，北京 东燕郊 065201)

电机在工业生产及我们的日常生活中的应用十分广泛，已成为当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。ZigBee无线网络通信技术及传感器技术的快速发展，推动了现代工业的智能化发展。本文基于TI公司的CC2530芯片，针对工业领域中不超过10 kW的中小功率电机，分别设计了电机数据采集的子节点和数据无线传输的协调节点，构建ZigBee组网。通过ZigBee网络将电机的运行数据传送给远程PC端，实现对电机运行状态的实时监测，确保电机的正常运行。

CC2530；电机；无线监测

Abstract： The motor is widely used in modern industrial production and our daily life and has become the most important driving force and driving device. The rapid development of ZigBee wireless network communication technology and sensor technology promotes the intelligent development of modern industry. For the small and medium power motor no more than 10 kW in industrial field,the system designed sub-nodes of the motor data acquisition and coordination nodes of the data wireless transmission based on CC2530 chip of TI company,and constructed ZigBee network. The running data of the motor is transmitted to the remote PC terminal through the ZigBee network to realize the real-time monitoring of operation status of the motor.It ensured the normal operation of the motor.

Keywords： CC2530;motor;wireless monitoring

0 引言

现代电机设备特别是大型电机设备日益朝着高效率、高精度、高集成度和现代化、大型化、自动化、网络化等方向发展,导致电机运行性能和结构复杂程度的不断提高,各部份关联程度也越来越复杂[13]。对大型企业，如煤炭行业，由于井下采、掘等各操作设备的大额性、综合性、过程性等特点，设备的运行成本及维护成本较高，这就要求在提高其可靠性和产能的同时，增加故障维修间隔时间[1-2]。要达到这些要求，一个重要的因素就是为电机提供先进的监测监控系统。以便早期发现电机运行元件、传感器和执行机构的故障，避免出现不良的运行状况。因此，对电机监测监控系统的研究是非常必要的。

传统的电机监测方式是采用各种测试仪或在电机运转的关键部位安装相应的传感器，配合相应的电子仪表进行电机的参数测量[4]。后来，微电子技术的发展，推动了电机的智能化发展，TMS320F2812 等DSP控制芯片、S3C2440A等ARM微处理器的出现，提高了电机数据采集的准确性与实时性，但是这些监测系统都是以有线的通信方式传输信号的[5-6]。对于煤矿等比较复杂的工作环境，存在布线困难等问题。针对传这一情况，本文设计了基于CC2530 的ZigBee无线监测系统，实现对电机运行状态的实时无线监测。

1 系统工作原理

电机监测系统主要包括数据采集模块、通信模块和显示模块，其结构图如图1所示。数据采集模块和通信模块均基于CC2530设计，基于CC2530分别构建ZigBee数据采集子节点和协调器节点。数据采集子节点传感器采集到电机运行参数数据后，经CC2530自带A/D转换模块将采集到的模拟信号转换成数字信号，然后由协调器建立网络，子节点加入网络形成自组网，实现数据的无线通信。子节点将数字信号分两路传输，一路直接发送给现场液晶显示模块，使得现场工作人员可以直观的观察电机运行状态，另一路经节点无线收发模块将信号发送给协调器节点。协调器节点接收信号，将数据经串口传输给PC端，使远程监控中心的工作人员也可以随时掌握电机运行状态。

图1 电机无线监测系统结构图

2 系统硬件设计

电机监测系统由上位机监控界面和电机网络节点两部分组成。上位机监控界面由PC端与协调器通过串口相连[12]。系统中，电机监测子节点由电压检测模块、电流检测模块、转速检测模块、温度检测模块和无线通信模块五部分组成。监测子节点结构框图和硬件实物图分别如如图2、图3所示。

图2 监测子节点结构框图

图3 子节点硬件实物图

2.1 主控芯片

系统主控芯片为TI公司生产的CC2530，它是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8 KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本:CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

2.2 电压检测模块

电压的检测选用电压互感器LCTV31CE，此型号传感器为电流型电压互感器，属微型精密电压变换器，可采集交流电压，隔离能力强，安全可靠。图4为电压检测模块电原理图。输入侧电阻限流使得到2 mA的输入电流，LCTV31CE输出与输入侧同大小的电流，经整流滤波后输入CC2530的P04、P05、P06引脚进行A/D转换。

2.3 电流检测模块

电流参数的测量，选用的霍尔传感器ACS712，霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场，通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。图5是ACS712 的引脚及内部框图。从ACS712 的内部框图与封装解剖图可以看出，原边电流只是从芯片内部流过，与副边电路并没有接触，原边与副边是隔离的，因为封装小，所以ACS712 的隔离电压为2100 V。因为电流的流过会产生一个磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号[8]。经分压滤波后，输入到CC2530的P01、P02、P03引脚进行A/D转换。图6是电流检测模块的电路原理图。

图4 电压检测模块电原理图

图5 ACS712引脚及内部框图

图6 电流检测模块的电路原理图

2.4 温度检测模块

温度检测选用DS18B20数字温度传感器，它可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线(单线接口)。DS18B20提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。使用时也可将其粘贴或埋置在电机绕组部位，测量其局部温度。

2.5 转速检测模块

转速的测量选用A3144E开关型霍尔传感器，利用的也是霍尔效应原理，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器、温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。图7是转速测量模块原理图。

图7 转速测量模块原理图

3 系统软件设计

软件设计包括上位机监控界面软件设计、协调节点软件设计和子节点软件设计三部分。子节点负责与协调节点建立网络，将采集到的电机数据经无线模块发送给协调节点。程序流程图如图8所示。协调节点管理网络，接受子节点发送过来的数据，处理后经串口将其发送给PC监控端。程序流程图如图9所示。监控界面将采集到的电机运行数据显示出来，便于工作人员及时掌握电机的工作状态。电机监控界面如图10所示。

图8 子节点软件流程图

图9 协调节点软件流程图

图10 电机监控界面

4 结语

该系统结合现场应用条件，以一台中小功率型电机为研究对象，以TI公司的CC2530为核心设计无线传感节点，并针对电机运行过程中的电压、电流、温度、转速四个重要参数，分别采用电流型电压互感器LCTV31CE、电流传感器ACS712、温度传感器DS18B20和转速传感器A3144E采集数据，实现了对电机运行状态的实时监测，具有工作稳定可靠、无线通信灵活、使用方便等特点，可广泛应用于各领域电机运行状态在线监测。

[1] 李莉.电机主要运行参数的监测研究[D]. 西安科技大学,2008.

[2] 宋昭昭.基于无线传感器网络的数据采集系统研究与实现[D].东北大学,2013.

[3] 徐方刚.基于DSP的中小型三相异步电机运行参数测试系统[D].哈尔滨理工大学，2013.

[4] 王宇鹍.永磁无刷直流电动机运行参数在线检测系统设计[J].2016(5):22-24.

[5] 崔儒飞.基于LabVIEW与DSP的无刷直流电机测控系统研究与设计[D].长安大学，2015.

[6] 卢军,赵慧涛,钟华.基于GSM的电机智能监测系统的研究与实现[J].数采与监测,2009(25):85-87.

[7] 陈启伟.电机状态云监测系统研究与实现[D].浙江大学,2016.

[8] 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,2011,19(3):59-63.

[9] 梁海峰.基于CC2530的煤矿三相异步电机无线监控系统研究[J]. 甘肃科技,2014,30(22):65-66.

[10] 张辉,李建军,王佳熙,等.电机设备运行参数远程监控系统设计[J].计算机测量与控制,2015,23(10):3395-3397.

[11] 张文静.基于无线传感器网络的数据采集系统的设计与实现[D].东北大学,2012.

[12] 保慧,梁海峰.基于Zigbee的煤矿井下三相异步电机无线监控系统研究[J].2014，43(12):203-209.

[13] Yang Liu,Pang Heming,Jiang Linying,et al. The re-search of embedded Linux and SQLite database application in the in-telligent monitoring system. 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation . 2010(03): 65-68.

[14] Yanyu Zhang,Peng Zeng,Guang Yang,Jinying Li. Online and Remote Machine Condition Monitoring and Fault Diagnosis System Using Wireless Sensor Networks. Proceedings of IEEE International Conference on Communication Technology.2013(15): 259-265.

DesignandResearchonWirelessMonitoringSystemBasedonCC2530

LI Ping，ZHANG Xiao-yu

(NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao,065201,China)

M343.2

A

1672-7169(2017)03-0092-05

2017-05-23

中央高校基本科研业务费资助项目(3142017046、3142016022)，河北省科技计划项目(15272118)

李平(1992-)，女，山西长治人，华北科技学院在读硕士研究生，主要研究方向为物联网在电气传动技术中的应用。E-mail：1755382002@qq.com