基于ZigBee 的农机机架点焊生产监控系统设计研究

简凤根

（江西新能源科技职业学院，江西 新余 338000）

1 系统设计概述

1.1 设计需求分析

点焊是农机机架生产的重要工艺之一。一台常规的拖拉机机架焊点大约是2 000～4 000 个，一台收割机机架的焊点约为3 000～5 000 个，其他功能多样结构更为复杂的农机机架设备焊点更多。传统焊接模式下，企业通常采用单个悬挂式点焊机逐次完成待生产农机机架的焊接，效率低下，且难以实现焊接过程的远程、可视化和精准监控。基于ZigBee 技术构建无线传感网络监控系统，能够实现生产的网络化、可视化、远程化和集群化生产监控，有利于提升农机机架点焊生产的效率。

1.2 整体硬件结构

系统整体硬件结构如图1 所示，其中核心运算处理模块为Q2530BE 开发板，RT5350 网关模块用于ZigBee 模块与上位机之间的网络信号通讯，焊接参数采集模块用于采集农机机架点焊生产中的电流、电极压力和焊接频率等信号，继电器控制模块用于控制网络节点中的各个悬挂式点焊机工作状态，上位机用于收集和监控整个点焊生产过程。基于上述硬件系统，技术人员只需要登录上位机即可在后台查看和控制农机机架点焊生产的全过程。

2 系统硬件选型及组网模式

2.1 DN2-40X 型悬挂式点焊机

研究选用苏州安嘉自动化设备有限公司生产的DN2-40X型一体式悬挂点焊机作为农机机架点焊工作系统的焊接设备。该设备的主要参数为：①采用单向380V/50Hz 交流供电；②额定容量为40 kVA，额定输入电流为80 kA；③标配喉伸为300 mm；④标准臂间距为205 mm；⑤最大焊接压力为3.5 kN；⑥次级最大短路电流为17 kA；⑦单台设备质量85 kg。DN2-40X 型一体式悬挂点焊机具有焊接回路损耗低、整机点焊工作移动便捷灵活等优点，非常适合焊接农机机架、汽车车身、大型货柜等金属机构，符合点焊生产的工艺需求。

2.2 CC2530 开发板

研究选用杭州丘捷科技有限公司研发的Q2530BE 开发板。该开发板基于CC2530 内核研发，板上集成了Q2530 RF 射频接口、2M外部flash、串口通信接口、128×64 液晶显示器插槽、Zstack 组件等部件。开发板具有CC2530 所有的开发应用功能，能够提供强大的ZigBee 无线网络组建和控制解决方案，并可在WIN7/10 系统环境进行开发，非常便捷，能够满足本系统农机机架点焊生产无线监控网络的组网和控制功能需求。

2.3 无线网关RT5350

本系统无线网关的作用是建立CC2530 模块与上位机之间的数据通信渠道，具体选用深圳必联公司研发的RT5350 无线网关模块。该模块为集成电路板块，核心部分为RT5350 芯片，外接SDRAM 存储器、保护电路、工作指示电路、串口通讯等外围电路。模块电路连接设计为：将RT5350 的TXD 和RXD引脚与Q2530BE 开发板上CC2530 的UART 端口P0.2 及P0.3连接起来，即可建立起两者之间的通讯链路。此外，通过串口通讯电路可建立起RT5350 模块与上位机之间的通讯链路。

2.4 焊接参数采集模块

系统在进行农机机架点焊工作时，需要实时采集焊接电电流、电极间压力和焊接频率三项参数，将采集的参数实时传输给CC2530 运算处理，并与预设程序进行比较，判断焊接工艺的质量、精度和完成情况。具体来说，选用BR-A1 罗氏线圈电流变送器采集焊接电流信号，选用MPX5700 压阻式压力传感器采集电极间的压力信号，选用TLP521 型光电耦合器联合外围电路采集焊接频率信号。模块电路连接设计为：将BR-A1 罗氏线圈电流变送器安装在点焊机的二次回路中采集电流信号，并将MPX5700 压阻式压力传感器接在CC2530 模块的P1.3 引脚采集电极间压力信号，TLP521 型光电耦合器联合外围电路采集完焊接频率后，与CC2530 模块的P1.4 引脚连接。实际工作中，焊接电流、电极间压力和焊接频率采集实际值与控制程序中的阈值进行实时对比，若出现高于或低于预设阈值的情况，系统会自动切断电源发出报警提示信号，起到保护作用。

2.5 组网工作模式

图2 为本系统的组网工作模式，系统组网体系主要包括现场采集节点网络、ZigBee 处理网络、RT5350 网关网络和上位机网络。其中，ZigBee 处理网络可采用双星拓扑的形式构建，ZigBee 处理网络和上位机之间可采用串口通讯组建有线网络，也可以采用无线路由器组建无线网络。上述组网工作模式结构简单、层次清晰，对于提升网络信号传递效率，优化农机机架点焊监控质量十分有利。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包含4 个方面。首先，搭建下位机通信软件平台。基于OpenWrt 软件搭建无线网关RT5350 与CC2530 模块之间的通信平台。主要设计流程为：下载OpenWrt源码配置环境- 设置OpenWrt 无线IP 信息- 配置网关与UART 之间通信连接- 启动网关工作。其次，建立ZigBee 无线传感网络系统。主要设计流程为：建立ZigBee 网络并设计端口参数- 配置农机机架点焊参数- 接收和发送农机机架点焊数据信号。再次，建立人机触摸控制监控界面。应用MCGS 组态软件建立监控界面，具体设计流程为：在MCGS 中新建“农机机架点焊生产监控系统”项目- 新建“系统登录界面”并设置权限参数- 新建“系统监控用户界面”- 在“工具箱”中选择标准按钮、指示灯、输入框等控件搭建监控画面- 在“设备窗口”中建立起MCGS 与核心处理模块之间的通讯连接。最后，编译程序。按照启动系统- 初始化- 采集点焊数据- 传输点焊数据- 对比判断生产状态- 停止系统的思路编译本系统监控程序。

4 结语

农机机架点焊的精度和效率直接关系到农机生产的质量，以ZigBee 为核心设计的点焊生产监控系统能够实现远程监控、数据高效传输、触摸精准控制等功能，对于提升点焊生产的质量具有促进作用。在后期设计研发中，仍需进一步解决程序监控硬件装配和软件程序的编译调整问题，以使整个系统达到最优化。