基于CC2530的龙门起重机应力多点巡回监测系统研制

徐瑞芬

摘 要：文章介绍了一种基于CC2530的龙门起重机应力多点巡回监测系统研制，该系统采用CC2530为核心处理单元，以协调器结点和各电阻式应变传感监测结点组成数据采集网络，实时采集龙门起重机不同部件的多点应力，当应力超过阈值时第一时间向用户发送警报，从而实现龙门起重机设备的实时监测和管理。

关键词：CC2530;龙门起重机;监测系统;数据采集网络

0 引言

“物联网”是物物相连的互联网，最初是在1999年由美国麻省理工学院提出的，是在互联网上延伸和扩展的一种网络技术。物联网主要解决物体与物体、人与物体、人与人之间的互联，通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，按照约定的协议与互联网结合形成一个巨大的网络，达到了物体与物体、物体与人通过网络相连接，以实现精准定位、智能识别、高效监管等功能。利用物联网技术对工业领域中的龙门起重机应力多点巡回监测系统进行研制，以CC2530芯片为控制芯片，实时采集龙门起重机设备不同部件的受力情况，实现多点測量;通过ZigBee技术与计算机通信，解决了受力测量中多点分布的问题，并由计算机实现对龙门起重机受力的集中监视与管理。

1    龙门起重机安全监测系统的现状

龙门起重机使用频率高、起重量大，确保其安全可靠尤为重要。近年来龙门起重机事故多发基本上都与限载器不能正常工作有关。起重机行业一旦出现事故，作为生产售后服务保障部门并不能快速准确地得到故障信息，坐等用户上报，再派员查看调查后才能提供维修服务，无法实现起重机不同部件应力的实时采集、监视与管理。如何能运用现代信息技术，快速得到起重机的工作状况，及时为用户提供服务，在当前的信息化时代也成为一个迫切需要解决的问题。因此研制一种龙门起重机应力多点巡回监测系统，实现对龙门起重机应力的实时测量与控制运算，实时排查危险应力点，并提供显示信号与控制信号，正好可以实现起重机受力的实时采集、集中监视与管理。

2    龙门起重机应力多点巡回监测系统的组成

基于CC2530的龙门起重机应力多点巡回监测系统的结构如图1所示[1]，主要包括数据采集网络（传感结点、协调器结点）、上位机、应用平台（Web服务器、智能手机）等[2]。

图1中协调器结点通过ZigBee技术，以自己为中心与各传感结点建立一个星形数据采集网络，采集网络中传感结点主要负责采集龙门起重机不同部件的多点应力信号，通过ZigBee技术将信号发送给协调器结点。整个系统结构中的上位机作为数据采集网络和Web服务器的连接纽带，一方面上位机通过串口与数据采集网络中的协调器结点相连，负责处理协调器结点发来的应力数据。另一方面通过网络将数据发送到Web服务器，以便用户实时查看，当龙门起重机的应力超过阈值时，上位机会向用户的手机第一时间发送警报信息。

2.1  CC2530芯片模块

本系统选择CC2530芯片模块。CC2530 相当于一个完全集成的、高性能的RF收发器的8051微处理器，8KB的RAM，32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。CC2530提供了101DB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，4种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集—包括2个USART、12位ADC和21个通用的GPIO。优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信。CC2530可以应用于远程控制、智能家居、医疗、工业等领域。

2.2  电阻式应变传感监测结点

本系统采用的是电阻式应变传感监测结点。为了提高监测敏感性，将电阻应变片粘贴到弹性体上，再将弹性体安装到龙门起重机不同部件上。在应力的作用下，电阻应变片会发生弹性变形。随着电阻应变片发生变形，其对应的阻值发生变化，或增大或减小，再把这一电阻变化经相应的测量电路转换为电压信号，经过ADC 将电压信号转换为数字，就完成了由应力引起的电阻应变片的变形，再由电阻应变片的变形转为电阻值的变化，再转为相应的龙门起重机应力数据的过程。当应力超过设定的阈值时，系统通过报警模块第一时间向用户发送报警信号。从应变片到形变量数字化再到数据处理，形成了一个应变传感监测结点，可以分布在龙门起重机的不同部件[3]。

2.3  协调器结点

一个系统只有一个协调器结点，协调器结点作为整个系统的管理组织者，功能是作为一个中心结点去收集、管理整个系统的信息。本系统的协调器结点以自己为中心加入各电阻式应变传感结点的星形数据采集网络，该星形数据采集网络采用ZigBee协议，它在收发数据时采用的是数据帧形式;协调器结点接收到传感结点发送的数据帧后，进行拆分，从中读取龙门起重机的应力数据，根据预设的串口协议，发送给上位机。

2.4  上位机

上位机是整个系统的一个重要组成部分，担负着管理、控制、维护和用户界面操作的重任，它与协调器结点连接。

本系统分布了多个传感结点，上位机根据多个传感结点采集的龙门起重机应力数据计算平均值，以此提高系统发送报警信息的准确度。当平均值低于设定的阈值，上位机会将正常的数据上传到Web服务器，用户可以实时查看。相反，如果平均值高于设定的阈值，上位机在给Web服务器发送数据的同时，通过移动通信模块第一时间向用户发出警报[4]。

3    龙门起重机应力多点巡回监测系统的关键技术

3.1   ZigBee技术

本系统采用ZigBee 技术将数据采集网络采集到的应力数据发往上位机，在上位机进行数据的存储和分析。

ZigBee是一种短距离、低功耗的无线传输技术和蓝牙主机的技术，它是IEEE802.15.4协议的代名词。ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。ZigBee主要应用在短距离并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。ZigBee具有强大的组网能力，有3种网络拓扑，即星形网络、树形网络和网状网络。ZigBee技术的3种网络拓扑结构各有优势。由于ZigBee技术具有成本低、组网灵活等特点，可以嵌入各种设备，在物联网中发挥重要作用。其应用的领域有PC外设、消费类电子设备、家庭内智能控制、玩具、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

3.2  数据采集网络

数据采集网络主要功能是采集、获取相关信息。它是运用传感器等数据采集模块从被测设备上采集读取相应的信息，并作保存。采集的信息作为后面使用、分析、处理。本文所研制的龙门起重机应力点巡回监测系统的数据采集网络是以协调器节点为中心，由多个传感节点所组成的，可以准确采集龙门起重机不同部件多点应力，进行实时监控和预测性维护。

4     结语

本文研制了一种基于CC2530中ZigBee协议的龙门起重机应力多点巡回监测系统，可以实时监测龙门起重机的应力载荷。系统采用以协调器结点为中心，加入多个电阻式应变传感监测结点组成龙门起重机应力载荷的数据采集网络，将采集到的信息传输到上位机进行处理。上位机在龙门起重机应力载荷数据上传到Web服务器的同时，可以在应力载荷超过阈值时通过移动通信模块直接向用户发送警报。通过实验调试和实践验证，该龙门起重机安全监测系统基本达到了设计要求，实现了对龙门起重机应力的实时测量与控制运算，实时排查危险应力点，并提供显示信号与控制信号，实现了实时、精准、高效的监管。

[参考文献]

[1]张鹏，秦飞舟.基于ZigBee 技术的室内可燃气体监测系统[J].电脑知识与技术，2015（27）：204-205.

[2]蒋耘晨，刘秋丽，杨明.基于ZigBee 技术的天然气联合站监控系统设计[J].无线电通信技术，2007（1）：56-58.

[3]郭二辉.一种电阻式应变传感器的数据处理方法[J].智能处理与应用，2019（9）：82-83.

（编辑 王雪芬）