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基于ZigBee的无线压力试验机测控系统.pdf

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基于ZigBee的无线压力试验机测控系统.pdf

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第 31卷第 5期  Vo1.31  No.5  丽 水 学 院 学 报  JOURNAL OF LISHUI UNIVERSITY  2009年 10月  0ct.20o9  基于 ZigBee的无线压力试验机测控系统  叶 敏 ,姚 明 海  (浙江工业大学 信息 工程学院 ,浙江 杭 州 310014)  摘要 :在研 究 Zigbee协议标准的基础上,对无线测控 系统进行 了分析 ,提 出了基 于 Zigbee技 术  与总线技术结合的无线远程测量控制 系统架构。设计 了单元测控 系统的软硬件 ,实现 了信 号的获取  与无线传输 。系统可完成对现场设备的实时数据采集、远程无线数据传输与监控等功能,同时为解决  分散点测控与移动点测控布线困难 开辟 了可行的途径。  关键词 :测控 系 ;ZigBee;CC2430  doi:10.3969/j.issn.1008—6749.2009.05.012  中 图分 类 号 :TP202  文献 标志码 :A  文章 编号 :1o08—6749(2009)05—0044—04  W ireless Stress Test System  Base on Zigbee Protocl  Ye M in,Yao Minghai  (CoUege ofInformation Engineering,Zhejiang University ofTechnology,Hangzhou Zhejiang 310014,China)  Abstract:This pape r discussed the standard Zigbee protocol, analyzed the framework of measurement and  control system and proposed the framework of remote wireless measurement and control system.The author  designed the hardware and software of the measurement and control mode to implement the signal acquisition  and wireless transmission.T h e system can achieve real—time on-site equipment,data acquisition,long—range  wireless data transmission and control functions,at the same time solve the cabling issue for the distributed or  mobile measurement and control node.  Key words:measurement and control system ;Zigbee;CC2430  ZigBee技术是近期发展 起来 的一种 近距 离 、  低复杂度 、低功耗、低数据速率 、低成 本的双向无  线通信技术 ,它是一种介于无线标记技术和蓝牙  之间的技术方案 ,主要用于近距离无线连接【”。  IEEE无线个 人区域网(PAN)工作组的 IEEE80Z  15A技术标准是 ZigBee技术的基础。IEEE80.15.4工  作组主要负责制定物理层 (PHY)、媒体访问控制层  (MAC)和链路层 的标准,而 ZigBee联盟负责其网络  层 、应用层和高层应用规范 (PA1)的制定日0  ZigBee网络具有低功耗性 ,两节 AA电池可工  作 12至 24个月,这是 ZigBee最具有优势 的地方 ;  低成本 ,每个节点直接通讯的距离较远 ,可达 100m  以上 ,若采用多跳网络通讯距离将更远 ;ZigBee网  络具有高度扩展性 ,每个 网络可 以多达 255个网络  节点 ,其 中一个是主设备,其它的是从设备 ,若是通  过 网络协 调器 ,则 整 个 网络 可 以达 到 65 000多 个  zigBee网络节点 ;低速率 ,最大速率 250kbps;高可  靠性 ,提供 了数据完整性检查及鉴权功能 ,加密算  法采用 AES一128,具体应用可以灵活确定采用何种  安全 机制 。  1 系统 硬件 设计  1.1  系统结 构  收稿 日期 :2009—04—08  作者简介 :叶敏 (1984一  ),男 ,浙江杭州人 ,硕士生。  第 5期  叶 敏 ,姚 明海 :基于 ZigBee的无线压力试验机测控系统  45  整个 系 统 由实验 室 主节 点 和连 接 在多 个 压力  测试仪上的子节点 2部分组成 (如图 1所示 ),主  节点和各子节点在 IEEE802.15.4协议的基础上共  同构成一套结构简单 、稳定和运行可靠 的星型网  络 。其中各子节点负责控制压力测试仪 、采集测量  参数并将采集到的信号分时发送 给主节点 ;主节  点负责协调各子节点同步工作 ,同时将接收到的  信号传输到 PC上进行处理、显示。  ZigBe ̄F 铺 点  目i力 试 虢 机   图 1 智 能压力试验机测控系统网络结构  1.2 硬 件设 计  硬件节点 主要 由是 以 C51RF一3一CC2430一BK  无线模块为核心 ,配以相应的开发电路作为单节点  终端。其 中,使用的新一代射频 SOC芯片 CC2430  具有 8位 MCU8051内核 ,并具备 128KB闪存和  8KB RAM,包含模数转换器 (ADC)、1个 16位计时  器和 2个 8位计时器、AES一128协同处理器 、看门  狗定时器、32kHz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[31。  采用 O.18 S CMOS工艺生产 ,工作时的电流损耗为  27mA,采用 7×7mm48脚 QLP封装 。硬件电路如图  2所示,电路使用 1个非平衡天线 ,连接非平衡变压  器使接 收 陛能更好 ,电路 中的非平衡 变压器 由电容  c8和电感 L5、IJ6、L7以及 1个 PCB微波传输线组  成 ,整个结构满足 RF输入 ,输 出匹配电阻(50n)的  要求。内部 T/R交换电路完成 LNA和 PA之间的交  换 。R3和 R4为偏 置 电阻 ,R4主要 用来 为 32 MHz  的晶振提供合适的工作电流。用 1个 32MHz的石英  谐振器(xTAL1)和 2个 电容(Cl和 C2)构成 32MHz  的晶振 电路 。用 1个 32.768kHz的石 英 谐振 器  (xTAL2)和 2个电容(C3和 C43)构成 32.768kHz的  晶振电路。电压调节器为所有要求 1.8V电压的引脚  和内部电源供电,c12和 C14是去耦合电容 ,用来电  源滤波 ,以提高芯 片工作 的稳定性 。  图 2 无线传感器节点最小系统  2 系统软件设计  2.1 节 点程序 设 计  2.1.1  组 网设 计  在 网络运行过程 中,新 的无线终端节点上电  后发送人网请求 ,主节点首先判断该节点是否在  地址表 中,如果该节点不在网络 中并且 网络 中的  无线节点数没有超过 网络容量 ,则 中心节点分配  一 个 唯一的网络地址给该节点 。无线终端节 点的  入网请求在规定时间内没有得到 回应 ,则等待一  段时间再向主节点发送入网请求 。这样就完成 了  节点的加入。其流程图如图 3所示。  Y  图 3 节点组 网流程 图图  丽 水 学 院 学 报  2009正  2.1.2 子节点软件设计  子节点主要负责对压力测试仪 的控 制和数据  的采集 ,在进入系统运行期间 ,首先在上电初始化  及加入 网络以后 ,进入查询状态 ,若有数据发送命  令 ,则将采集的实验数据发送 ,若有控制操作命令  则进行控制指令的设置工作 ,否则就进入等待状  态 ,其流程图如图 4所示。  基准直线反映了传感器 的工作特性。测试时,就是  根据传感器的输出值 ,按基准直线确定被测量值  的。每次标定完后 ,要把直线方程 的系数 a、b存放  在数据库 中,以便进行数据处理时使用。  采集参数包括试样的起控值 、判断峰值的最  小时间、峰值次数 、峰值判断起始值等。控制参数  包括试验模式 (手动或 自动 )、试 验力速率、试验力  最大值、DA起始值 、上压板静止高度等。这些参数  都是试验机的重要参数 。试验机在运行之前 ,必须  先设定好 它们的值 ;在运行过程 中 ,也可 以做出调  整 。  2-2.2 试 验 过程 的控 制  该模块 主要是提供给试验人员具体的操作界  面和对试验过程 的监控 。基本操作包括试验机上  压板 的上升与下降、试验机 的开始与停止 、试验 曲  线(压力一时间曲线 )实时显示与 回放 。其软件实  现如 图 5。  图 4 节点控制程序 流程 图  2.2  PC端控 制 程序 设计  试 验机 控制 程 序 是试 验 机 测控 系 统 的重 要组  成部分 。它的主要功能是设置试验机的各项参数  和实现 对试 验过 程 的控制 。也 就是 说 ,所 有对 试验   机 的控 制 和设 置都 是 通 过该 程序 完 成 的 。而 该程  序 又是 通过 测 控软 件 发送 控 制 帧给 主 节点 来 实 现  的 。  2.2.1 试 验机 参数 的设 置  该模块 主要负责压力传感器的标定、采样参  数和控制参数的设定调整和保存 。  压力传感器在试验机长期使用后 ,难免会出  现一些误差 ,因此需要定期标定 。压力传感器标定  的基本方法是 :利用标准设备产生已知 的力值作  为标准输入量 ,输入待定 的传感器然后将传感器  的输 出量与输入 的标准量作 比较 ,获得一系列标  准数据 ,然后用最dx--乘直线法确定基准直线 。该  图 5  试 验 过 程 监 控 主 界 面  2_2.2.1 试验 机基 本操 作  试验机 的工作模式包括手动和 自动。在手动  模式下 ,整个试验过程 ,都由试验人员通过操作界  面上 的试验机上压板的“上升”与“下降”按钮和试  验机 的“开始”与“停止”按钮来完成。在 自动模式  下 ,试验人员放好试样后 ,点击“开始”按钮 ,试 验  机上压板就会 自动 下降 ,至接触到试样的表面后 ,  压强等速率增加 ,等到试 样破 碎后 ,停止加压 ,上  压板 自动上升到一定高度 ,等待替换试样 ,进行下  一 轮试 验 。  2.2-2.2 试 验过 程 的监控 与分 析  试验过程的监控与分析是通过绘制试验 曲线  来实现的。从试验曲线 中,试验人员可以判定出试  验过程是否符合标准规定的应力速度要求 ,并从  第 5期  叶 敏 ,姚 明海 :基于 ZigBee的无线压力试验机测控系统  47  中分析得到相关的试验指标值。在压力试验机中,  试验曲线一般是指压力一时间曲线 。本 软件实现  了压力一时间曲线的实时显示、保存 、回放和分  析 。  图 6 压 力试 验 子 程 序 流 程 图  (1)试验 曲线的显示 。如图 6所示 ,压力试验  开始后 ,测控软件设置循环标志 Flag=l;此 时软件  就可 以通过串 口通讯模块来接收从下位机发送上  来的试验数据了。传输上来 的数据 由压力代表值  和加压时刻值 2部分组成。压力代表值是指传感  器采样进来的码值 ;加压时刻是测量 时刻到试验  开始时刻之间的时间差值。压力代表值通过传感  器标定直线转化为被测压力值 。然后进行超量程  判断。如果测量力超程 ,跳出循环 ,结束试验 ;否则  继续 ,进行试样破碎判断。试样破碎判断是根据力  值变化情况确定。如果试样破碎 ,则表明试验成功  完成 ,试验数据 已不必保存和显示 ;否则继续 ,试  验数据将保存到数据库 中,以便试验过程的分析  和回放 ,同时还要完成试验曲线的绘制。最后被测  压力值 的最大值 ,也就是令试块破碎 的压力值将  被作为这次试验的破坏负载。当然 ,如果在试验过  程中,发现异常情况 ,可以人工干预 ,停止试验。  (2)试验曲线的分析 。试验曲线的分析是值根  据已存储的试验数据分析计算 出实际的试验力加  荷速度 ,来与设定值 比较 ,看是否在允许 的误差范  围之内。这样就可以帮助试验人员来判别试 验是  否符合标准规定的要求 。而且实际曲线和分析 曲  线可以绘制在 同一图中,效果更加直观。本软件利  用最/j ̄--乘直线法来分析试验 曲线 。该 曲线从一  定程度上反 映了实际的试验机加荷过程 。由此可  以求得加荷速度 ,试验人员 可以将它与设定值 比  较 ,从而判定试验过程是否符合要求 。  3 结 束语  随着无线传感器 网络技术 的不 断发展 ,将该  技术运用到现有压力试验机测控系统 中是一种必  然 的趋势 。基 于 ZigBee技术 的射频 系统单 芯 片  CC2430以其低成本 和低功耗等特性 ,为智能压力  试 验 机测 控 系统 提 供 了有 利 的支 持 和理 想 的解 决   方案 ,将无线通信技术应用于测控系统 ,在提供工  作效率的 同时 ,也使得 系统建设周期短 ,投资小 ,  易于系统后期 的改造升级 ,是一种很好 的系统解  决方 案 。  参 考文 献 :  [1]王 东,张金 荣彳q用 Zigbee技 术构建无线传感器 网络[J].  重庆大学 学报 ,2006,29(8):95—110.  [2]纪金 水.ZigBee无线传感器网络技 术在 工业 自动化监 测  中的应用[J]..x-_,lk仪表 与 自动化装置 ,2007(3):71—76.  [3]蒋挺 ,赵成林.紫蜂技术 及 其应用[M].北京 :北京 邮电大  学出版社 ,2006. 

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