基于ZigBee和GPRS无线传输的电机网络温度监控系统设计

引言

很多工矿企业用到多种大功率电机，如抽风机、提升机、传输机等。这些电机大多是长时间连续运行的，而且现场坏境复杂，电机很有可能会遇到过载、绝缘局部损坏等情况，如果电机出现异常情况没有时发现而继续运行，会直接引起电机温度变化，时间过长就可能会造成电机及相关设备损坏，产生重大经济损失和人员伤亡。实时监测这些电机的温度可以间接的监测电机的运行状态。本文提出了一种采用数字传感器网络来监控电机各点温度，通过ZigBee网络与GPRS网络对接将信息传输到监控中心的智能温度监测系统，这套系统避免了有线传输系统的线路铺设，而且解决了ZigBee技术智能进行短距离传输的问题，使用GPRS技术实现远程监控。

ZigBee技术和GPRS技术

ZigBee技术具有低功耗和短距离传输的特点。一台ZigBee设备可连接多达254台ZigBee设备，这些设备使用干电池供电，可以持续供电达一年。ZigBee技术的低数据速率和通信范围小，适用于承载较小数据流量的业务。根据网络中承担任务的不同，网络设备可以分为网络协调器、网络路由器和网络终端设备。ZigBee网络根据应用的需要可以组织成星形网络、网状网络和簇状网络3种拓扑结构。

GPRS是在现有的GSM网络基础上发展起来的一种分组交换和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。它的基本功能是在移动终端与标准数据通信网络的路由器之间传递分组数据。GPRS具有数据传输速率高、永久在线等优点，被广泛应用于远程监控系统。

系统的原理及结构

本系统为基于ZigBee无线传感器、利用GPRS网络传输汇总节点数据的完整无线网络（如图1所示）。网络采用星型拓扑结构。

图1 电机温度监测系统的组成结构

主站的工控机通过串口与GPRS模块通信，在电机网络中每个需要监测的电机上安装温度传感器，组成传感器网络。这个网络易于扩展，当有其他需要测温的点增加时，ZigBee具有自组网功能，在上电时会自动监测到新增的测温节点。

当温度传感器检测温度信号后，经内含ZigBee传感器节点RFD模块处理后得到数据信息，然后协调器节点ZigBee FFD模块将数据信息打包处理，通过RS232与GPRS模块相连，经GPRS网络将数据信息传输至监控中心，监控中心可将信息实时显示，并且具有存储、查询、报警等功能。

系统硬件电路设计

测温节点元件选型及设计

温度传感器选用DALLAS公司的DSl8B20芯片，它是采用单总线的传输方式的数字式传感器，使节点体积小、功耗低和外围电路简单。它可以提供9～12位摄氏温度，工作温度范围为-55℃～125℃，在-10℃～85℃的范围内精度为0.5℃。

ZigBee模块采用HFZ-CC2530EM-V1.0模块，它采用TI ZigBee射频芯片CC2530-F256，片上集成高性能低功耗8051内核、128-bit ADC、2个USART以及功能强大的DMA功能等，支持ZigBee2207/Pro协议栈。该模块引出所有可用I/O，用户可使用片上所有资源。可方便的实现高性价比、高集成度的ZigBee解决方案。

较CC2430相比，CC2530在发射功率、链路预算、射频噪声抑制能力、低功耗以及ESD防护能力等方便都有较大的提升。

测温节点电源采用两节1.5V干电池提供，CC2530采用休眠和定时唤醒模式，大大降低了功耗，延长电池寿命。

测温节点结构图如图2所示。

图2 测温节点结构图

ZigBee网络协调器节点设计

ZigBee网络协调器节点设计如图3所示，GPRS模块采用天津菲利科电子技术有限公司生产的FK21G系列工业级GPRS无线数据透明传输单元（GPRS DTU），本单元设备是一种工业级物联网远程无线透明数据传输设备，利用公用GPRS网络提供远程数据传输功能。此GPRS单元内嵌TCP/IP、UDP/PPP协议，提供远程高速透明数据传输、无线互联网接入功能，并支持永远在线。内置原装进口高性能西门子GPRS芯片，采用双看门狗设计，支持工业标准RS232、RS485和USB接口。该产品已广泛应用于工业监控、智能电网、无线抄表、能源监控、交通物流等物联网多个领域。GPRS模块通过串口RS232与CC2530相连。

图3 网络协调器结构图

系统软件设计

上位机监控软件

本系统采用北京亚控公司开发的组态王上位机的组态软件，监控界面包括各分站分布及运行情况查询、数据通信、数据处理和报表处理四个子系统。

分站运行情况子系统可以查看各电机的运行情况和温度信息，并具有实时报警功能。

数据通信子系统主要负责监控中心与协调器节点之间的数据通信，控制命令通过GPRS网络传送到指定节点，可以查询各分站的温度信息。

数据处理子系统与数据库相连，将监控的各种数据自动记录储存到数据库，操作人员可以进行数据的查询、设置、删除等操作。

报表处理子系统用来统计、运算、处理监控数据，可以自动生成各种报表，并且具有存储、显示、打印等功能。

下位机软件设计

下位机软件主要实现传感器节点的数据采集及发送、Zigbee网络与传感器节点的通信、Zigbee网络数据传输、协调器节点与GPRS模块之间的数据通信和GPRS模块的数据收发。开发环境为IAR，面向GPRS模块编程，使用C语言并借助协调器CC2530向GPRS模块发送数据。

传感器节点主要负责采集网络中电机各测温点的温度信息，将这些数据处理后传送给路由节点，同时接收路由节点的指令，并根据这些指令进行相应的操作，当没有数据接收和发送指令时，进入休眠模式，使节点功耗降低，其工作流程如图4所示。

图4 传感器节点流程图

ZigBee协调器节点通过查询的方式来收发采集数据和控制信号。如图5所示，先对协议和串口上电初始化，然后进行电量进行检测，当电池电量不足时会发出报警信号。子节点执行入网进程，刷新路由检测网络有没有添加或删除节点，协调器和测温节点进行绑定操作。接下来测温节点进入查询状态，而协调器则一直处于收发状态，当监控中心有数据采集命令或控制命令传向测温节点时，协调器将暂时把属于自己测温节点的数据保存在缓冲区中，测温节点每隔一定时间向协调器查询是否有属于自己的数据，若有，则取回数据执行相应的操作；若无，则进入下一轮查询状态。

图5 协调器节点流程图

结语

本系统采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度监测系统，可以实现无线化、远程化。测温节点的ZigBee采用CC2530模块，不再需要其他处理器，不但降低了系统的成本，也大大降低了系统的结构和功耗，ZigBee无线传输网络可以实现主控模块与传感器节点之间的数据传输，GPRS网络解决了ZigBee的短距离传输局限性，实现远程无线监控。