CNC压机无线传感器网关设计

贾凡　焦帅帅

摘要：CNC压机系统，在设计上采用先进的智能数控技术，配备高精度闭环控制伺服液压系统、可控模冲模架和智能机械手系统，建立集成各种精确测量传感器、辅助设备的计算及控制中心，确保生产过程质量精确控制，提高压制产品的尺寸、形状和位置精度，实现压机系统和自动生产线设备数据的连通。

关键词：CNC压机;传感器;无线;网关

一、网关节点的特点和功能

1 特点。网关节点作为整个WSN网络数据的出口，它具有数据吞吐量大，计算能力、存储能力高的特点。另外，在通信距离方面，网关节点的传输范围要比传感器节点大得多，以保证数据能传输到外网的监控中心。在采用无线网络作为网关节点与监控中心接口时，网关节点的发射功率应保证其与最近基站的通信。

2 功能。网关节点具有丰富的软硬件资源。在完成协议转换的同时，可以承担组建和管理WSN网络的许多工作。它具有如下主要功能：①扫描并选定数据传输的物理信道，分配WSN内的网络地址，发送广播同步帧，初始化WSN网络设置;②配合WSN网络所采用的MAC算法和路由协议，协助其它网络节点完成与邻居节点连接建立路由;③完成不同网络之间的协议转换;④对从各传感器节点接收的数据根据具体应用需求和当前带宽，自适应地启动数据融合算法，降低数据冗余度;⑤处理来自监控中心的控制指令。

二、无线传感器网关设计

1 无线传感器网关系统组成

CNC压机系统无线传感器网络系统的基本组成部分是由大量的节点和少数的网关组成。传感器节点主要负责压机及外围辅助设备工作过程中的数据的采集、处理及传输。传感器节点随机部署在所需测量的各个设备组件中，每个节点可以采集数据，并采用自组多跳路由无线方式将信息传送给网关节点。网关节点是一类特殊的节点，网关的作用主要负责在两个不同协议的网络之间进行数据转换，实现不同网络之间的信息交换。传感器网关节点是组成无线传感器网络的重要组成部分，是构成无线传感器网络的基础平台。

2 网关硬件模块组成

无线传感器网关是一个微型的嵌入式系统，一般由无线通信模块、处理器模块、传感器模块和电源模块组成。网关节点有较强的信息处理能力和存储能力，对目标地点进行信息数据的采集、处理，并把收集到的信息转发到外部网络，节点具有串行接口，通过这些接口实现与其他系统网络的连接。无线网关的网关节点的通信模块接收其他节点经无线方式发射的数据，然后传送给处理器作进一步处理，数据在处理器单元得到处理后，经过部分数据的融合、转发实现用户对数据的管理、查询等功能。数据处理完毕后，通过串行接口RS 232将数据传送至压机CNC控制中心或其他系统设备。

3 网关硬件的选型

无线通信模块和数据处理模块是网关的核心组成部分，对硬件的选型主要是对射频芯片以及微处理器的选择。射频芯片的性能要满足ZigBee协议对硬件的要求。对微处理器的选择还要从器件的体积、功能、外部接口、存储容量、速率、成本、功耗等各方面是否满足压机系统的实际需要来进行比较，对射频芯片的选择从器件的功能、能耗、封装大小、应用电压等各方面来进行考虑。

（1）微处理器选型。压机系统设计的网关在实际使用时采用TinyOS操作系统，主要应用于生产环境中，传感器节点需要采集位移、压力、电压、流量、温度等设备运行时的数据信息，相应地网关也需要转发其他节点发送来的繁杂数据信息给上位机，同时为避免系统升级而更换硬件带来的不便，节点预留了部分存储空间。在综合比较分析了各项指标后，选择了Atmel公司生产的ATMEGAL28L，它拥有更大的容量，功能众多的I/O接口以及较低的价格，且6种低功耗睡眠模式满足ZigBee协议对硬件的要求。

（2）射频芯片选型。压机系统设计的网关采用ZigBee协议，因此对射频芯片的选择必须符合IEEE802.15.4/ZigBee协议。常见的有美国Ember公司的EM2420、ComXs公司的ML7065、挪威Chipcon公司的CC2420等。射频芯片的选择主要是从芯片功能、能耗、封装大小、通信距离、芯片工作时所需外围器件的多少，是否支持小电压工作，睡眠电流以及资料是否详实等各方面来进行综合考虑。通过综合比较，选择CC2420芯片作为网关的射频芯片。

4 网关接入上位机的硬件实现

根据在压机系统实际工作的需要，设计的网关主要由数据处理、无线收发和电源三个单元组成。网关除了提供给传感器节点接入Internet的接口、运算、存储、电源等基本的嵌入式系统模块之外，它还需配备与传感器节点配套的各个通信接口。

5无线传感器网关的硬件实现

（1）网关处理器电路图设计。网关以ATMEGAL28L處理器为核心，同时配备了512 K Flash存储器，支持外部中断，有强大的同步屏步串行通信接口，支持SPI通信。射频模块采用Chipcon的CC2420实现，该芯片支持IEEE802.巧一物理层和数据链路层标准，工作于2.4GHz频段，最大数据达250b/s。采用RS232串行接口，配置MAX232电平转换单元。

（2）电平转换单元设计。ATMEGAL28L通过普通I/0口与PC机RS 232串口实现通信的硬件接口电路。由于PC系列微机串行口为RS 232标准接口，与输入、输出均采用TTL电平的ATMEGAL28L在接口规范上不一致，RS232信号的电平范围为-12V～-5V，5V～12V，单片机串口信号为0V～3V，因此需要采用电平转换器件。系统采用MAXIM公司的MAX232标准RS232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS 232接口逻辑“1”（-3V～-15V）和逻辑“0”（+3V～15V）的电平转换。

三、结语

CNC压机系统采用无线传感器网关技术，把CNC压机的各类传感器数据和压机控制系统进行实时连接，提高传感器数据传输的可靠性、精确性和便捷性，同时传感器获得数据通过无线的方式传输到生产线其他配套设备中，为生产线其他设备的平稳、安全运行提供了参考数据。

参考文献

[1]孙纪敏，沈玉龙，孙玉，等.传感器网络接入Internet体系结构和服务提供方法[J].通信学报，2008，29（4）;84-89