摘 要： 結合ZigBee無線通信技術，提出一種應用于起重機監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)架構。該方案網(wǎng)絡節(jié)點硬件電路以MC9SDG128為控制器、CC2530為射頻收發(fā)器，詳細規(guī)劃了網(wǎng)絡中節(jié)點硬件和軟件設計，并介紹上位監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、易擴展、安全性高等特點，能實時監(jiān)控起重機的運行狀況，可廣泛應用于起重機監(jiān)控系統(tǒng)。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee節(jié)點；無線通信；起重機監(jiān)控

隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大和自動化程度的提高，起重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高。由于起重機屬于特殊設備，機器的老化和磨損對操作的安全性影響較大。目前，越來越多的起重機上配備有專用監(jiān)控器，通過監(jiān)控起重機運行的基本參數(shù)，就可以獲悉當前起重機運行狀況、剩余使用次數(shù)等信息，以利于操作人員及時地進行部件檢修和維護，從而有效地防止事故發(fā)生。設計一套先進的、方便使用的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對于實現(xiàn)生產(chǎn)生活的安全、提高監(jiān)控質量、實現(xiàn)科學有效的管理都具有十分重要的意義。但是，傳統(tǒng)的有線監(jiān)控網(wǎng)絡只能沿著固定的線路傳輸數(shù)據(jù),傳輸介質的架設不可避免地具有破壞建筑，存在檢修困難、擴展困難、安裝維護費用高的弊端。為此，本文設計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控方案，較之傳統(tǒng)的方案有很大的改進。所謂無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)通過無線通信的方式進行傳輸[1-3]。
1 系統(tǒng)總體方案
基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的起重機監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點（終端節(jié)點）、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和本地監(jiān)控中心構成，該網(wǎng)絡能覆蓋整個工廠所有的監(jiān)控單元，構成一個嚴密的、全方位的、立體的監(jiān)控體系。其系統(tǒng)總體結構如圖1所示。系統(tǒng)中各監(jiān)控節(jié)點采集各種信號參數(shù)，并且將數(shù)據(jù)通過射頻發(fā)送器發(fā)送出去。路由節(jié)點是信息的中繼站，負責將距離協(xié)調器較遠的終端節(jié)點的信號傳遞給協(xié)調器。網(wǎng)絡協(xié)調器負責監(jiān)控網(wǎng)絡的建立、管理和維護，如為新加入的設備分配網(wǎng)絡地址、節(jié)點的加入和離開等，協(xié)調器也是所有節(jié)點信息的匯聚點，負責將收到的信息通過串口向局域監(jiān)控站的PC機發(fā)送，在PC機上就可以通過監(jiān)控軟件實現(xiàn)對終端節(jié)點的實時查詢。

2 硬件設計
2.1 協(xié)調器節(jié)點電路
協(xié)調器節(jié)點電路選用ARM 9系列的S3C2440微處理器為核心，加以相應的外部擴展，實現(xiàn)程序運行的基本環(huán)境。外部擴展由幾部分組成：(1)存儲模塊：Nand Flash存儲器、SDRAM 存儲器、SD卡存儲器；(2)對外通信接口模塊：RS232串行口、ZigBee無線通信模塊。圖2所示為系統(tǒng)硬件結構圖。

Nand Flash存儲器功能：存放用戶編寫的啟動程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應用程序。本文采用256 MB的K9F2G08 Nand Flash存儲器。
同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)功能：使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡化設計、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)運行時，所有的程序和數(shù)據(jù)大部分是在SDRAM中與微處理器和外圍設備交互，所以SDRAM的速度對于整個系統(tǒng)的運行速度有著至關重要的影響。本文采用1片HY57V561620芯片作為外擴SDRAM。
SD卡存儲器功能：保存監(jiān)控系統(tǒng)實時采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)。
CC2530模塊功能：與終端設備無線通信，負責數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。這里嵌入式處理器S3C2440 與ZigBee通信模塊CC2530的通信方式通過SPI方式實現(xiàn)，處理器S3C2440充當SPI主器件，CC2530收發(fā)器充當從器件。
2.2 路由器節(jié)點電路
路由器節(jié)點直接采用ZigBee射頻芯片CC2530，其內(nèi)部有2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機、適應2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF收發(fā)器，內(nèi)存和微控制器。它使用一個高性能和低功耗的8 bit MCU(8051)，具有最大256 KB的可編程閃存和8 KB的RAM，同時包含有12 bit ADC、21個通用I/O、2個UART、4個定時器、AES加密協(xié)處理器等。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。微處理器全速工作時，在接收模式下電流損耗約為24 mA，發(fā)射模式下電流損耗約為29 mA。
2.3 終端節(jié)點電路
無線傳感器終端節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊、信號調理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊組成。節(jié)點硬件結構框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要由重力傳感器、電流傳感器與溫度傳感器構成，傳感器單元對工廠監(jiān)控環(huán)境內(nèi)溫度進行采集，重力傳感器則將重物的物理量轉換為相應電信號。信號調理單元電路將采集到的信號進行調理后送至數(shù)據(jù)處理模塊。