摘要：設(shè)計(jì)了一種無線傳輸?shù)墓I(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)、無線通信及計(jì)算機(jī)信息管理等技術(shù)，采用低功耗ATMEGE88單片機(jī)和CYRF6936無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備點(diǎn)檢、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)距離無線傳輸；并提出了基于無線設(shè)備標(biāo)識(shí)牌技術(shù)的設(shè)備編碼與測(cè)試流水號(hào)靈活配置的方案，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線/離線監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集 無線傳輸 預(yù)警系統(tǒng)
引言
現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，使設(shè)備故障的預(yù)測(cè)在生產(chǎn)過程中已顯現(xiàn)得尤為重要。檢修計(jì)劃的合理制訂、生產(chǎn)成本的有效控制、安全事故的預(yù)防與避免、費(fèi)用重復(fù)投入等無不與設(shè)備在線運(yùn)行工況息息相關(guān)。隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展 , 其傳輸速率不斷提高，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的不斷增加使得無線通信技術(shù)正在進(jìn)入自動(dòng)控制領(lǐng)域。本文介紹一種基于無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以完全替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸模式。
1.系統(tǒng)組成及工作原理
系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。分為四個(gè)組成部分：信息處理和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無線傳輸信號(hào)中繼器、數(shù)據(jù)采集及傳輸部分。
該系統(tǒng)為三層工作方式，其中在線式無線點(diǎn)檢設(shè)備與離線式無線點(diǎn)檢設(shè)備為最底層(即第三層)工作設(shè)備，主要功能為數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)工作在第二層，它將分布在各個(gè)區(qū)域點(diǎn)檢數(shù)據(jù)用接力方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線傳輸。采用2.4 GHz的通訊頻段，為直序擴(kuò)頻通訊方式，抗干擾能力較強(qiáng)。計(jì)算機(jī)預(yù)警
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為最高層，屬管理層面。各點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過在線監(jiān)測(cè)設(shè)備和離線監(jiān)測(cè)設(shè)備被送入無線通訊網(wǎng)絡(luò)，再由無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫，通過計(jì)算機(jī)預(yù)警管理系統(tǒng)，提交給設(shè)備管理人員使用。
2.硬件及軟件設(shè)計(jì)
2.1數(shù)據(jù)采集及無線傳輸硬件設(shè)計(jì)
硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，包括傳感器與信號(hào)調(diào)理單元，數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元等，可根據(jù)需要增減相應(yīng)的模塊完成目標(biāo)電路設(shè)計(jì)，如無線溫度傳感器包括所有的模塊，無線傳輸中繼器只包含數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)采集傳感器信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集的信息包含溫度、振動(dòng)、壓力等；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、數(shù)據(jù)傳送方式、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信；電源管理單元為電路提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，在睡眠和正常工作模式時(shí)切換外圍
模塊電源供應(yīng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。無線傳感器、無線傳輸信號(hào)中繼器、無線數(shù)據(jù)接收中心機(jī)、無線設(shè)備標(biāo)識(shí)牌均采用ATMEGE88單片機(jī)結(jié)合CYRF6936單片射頻芯片作為系統(tǒng)的核心。傳感器模塊定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，經(jīng)必要的轉(zhuǎn)換處理后經(jīng)CYRF6936射頻芯片按系統(tǒng)定義通信協(xié)議傳送給距離最近的無線中繼器。無線中繼器將該數(shù)據(jù)直接或通過其它無線中繼器傳輸至無線數(shù)據(jù)接收中心機(jī)。接收中心機(jī)將接收數(shù)據(jù)通過MAX232轉(zhuǎn)換為RS232格式數(shù)據(jù)發(fā)送給主計(jì)算機(jī)。
AVR單片機(jī)的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是8為微控制器中性能較高的器件。ATMEGE88單片機(jī)含8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash， 512字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM，23 個(gè)通用I/O 口線， 32 個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C), 片內(nèi)/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個(gè)SPI 串行端口， 8 路10 位ADC， 具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而SRAM、T/C、USART、兩線串行接口、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ATMEGE88可為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。
CYRF6936為基于2.4GHz WirelessUSB LP射頻片上系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊。它僅需21mA的工作電流，具有高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率和低于2ms的平均延遲。運(yùn)用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，能有效阻止來自于諸如802.11b/g、藍(lán)牙、無繩電話和微波爐等其他技術(shù)的頻率干擾。
系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)無線離線點(diǎn)檢模式，采用電池供電的設(shè)備標(biāo)識(shí)牌，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，僅在設(shè)備編碼流水號(hào)設(shè)置和離線點(diǎn)檢時(shí)發(fā)送設(shè)備編碼號(hào)及該設(shè)備
數(shù)據(jù)采集模塊流水號(hào)。設(shè)備檢查人員采用手持設(shè)備檢測(cè)儀，按動(dòng)開關(guān)則可將該設(shè)備的設(shè)備編號(hào)及流水號(hào)讀出，同時(shí)將測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包發(fā)出。每臺(tái)設(shè)備可共用1個(gè)設(shè)備ID號(hào)，可以有多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的流水號(hào)。既可以在線測(cè)量時(shí)為數(shù)據(jù)采集模塊提供流水號(hào)，又可以在采用離線檢測(cè)設(shè)備時(shí)提供設(shè)備ID號(hào)和流水號(hào)。從而達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)和人工手動(dòng)檢測(cè)時(shí)設(shè)備ID號(hào)和流水號(hào)靈活配置。
2.2數(shù)據(jù)采集及無線傳輸軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集和傳輸程序是傳感器模塊程序的核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)功耗和通信的可靠性，較低的功耗能保證傳感器在不增加電池容量的情況下延長(zhǎng)其使用壽命。為保證有較低的功耗，除在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的減少器件數(shù)量和選用低功耗的器件外，在程序上采用間隙工作的方式。在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過程中，微控制器首先完成數(shù)據(jù)采集和傳輸后關(guān)閉傳感器和數(shù)據(jù)采集單元電源，微控制器進(jìn)入掉電模式，只有一個(gè)低功耗定時(shí)器運(yùn)行，保證在設(shè)定的時(shí)間間隔后能再次采集和傳輸數(shù)據(jù)。圖3為系統(tǒng)程序框圖，圖4為ATMEGA88從掉電模式被定時(shí)器中斷喚醒后的程序流程。
圖3 圖4
要實(shí)現(xiàn)傳感器與無線中繼器的通信，需要對(duì)CYRF6936進(jìn)行初始化配置和用戶程序設(shè)計(jì)。發(fā)送和接收程序流程如圖5所示。ATMEGA88通過SPI口對(duì)CYRF6936進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并啟動(dòng)發(fā)送或接收，程序采用中斷接收，中斷發(fā)送。CYRF6936的IRQ引腳與ATMEGA88外中斷0連接，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收完成共用一個(gè)外中斷0，在中斷程序中判斷發(fā)送是否完成或有收到數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)前需先判斷無線傳感器是否已經(jīng)找到作為其父節(jié)點(diǎn)的無線中繼器，已找到父節(jié)點(diǎn)則發(fā)送已采集數(shù)據(jù)；沒有則先發(fā)送申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)命令幀，并等待應(yīng)答，在設(shè)定的等待超時(shí)內(nèi)收到無線中繼器的應(yīng)答，將改無線中繼器作為無線傳感器的父節(jié)點(diǎn)，向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送已采集的數(shù)據(jù)。如沒有收到無線中繼器的應(yīng)答則退出，進(jìn)入低功耗模式，等待下一次發(fā)送時(shí)間到來，發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5。
