根據(jù)統(tǒng)計，在所有機(jī)械設(shè)備故障中，起重設(shè)備故障占比高達(dá)20 %，是特種設(shè)備中事故發(fā)生率最高的一種，因此，加強(qiáng)對塔機(jī)工況數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)安全監(jiān)控，減少事故的發(fā)生有著重大的意義。目前，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)的安全監(jiān)控: 采用數(shù)據(jù)總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但布線復(fù)雜; 采用通用分組無線業(yè)務(wù)( general packet radio service， GPRS) 進(jìn)行通信，但功耗和成本高; 利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時會出現(xiàn)延時。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合 ARM—STM32 平臺，設(shè)計了基于 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方案，即由安裝在塔機(jī)各個關(guān)鍵部位的傳感器，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過 ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器端，在ARM 終端進(jìn)行存儲和顯示。該系統(tǒng)具有實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)界面交互等功能，能及時有效地監(jiān)控塔機(jī)的工作情況。

系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1，基于ZigBee 的塔機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分三部 分:采集端、協(xié)調(diào)器和 ARM 監(jiān)控端。采用的傳感器類型為稱重傳感器、起升高度傳感器、回轉(zhuǎn)角度傳感器以及風(fēng)速傳感器。數(shù)據(jù)經(jīng)過采集模塊處理后由 ZigBee 模塊的射頻發(fā)送器發(fā)送。協(xié)調(diào)器是各個終端節(jié)點(diǎn)的匯聚點(diǎn)，將各節(jié)點(diǎn)集中，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器端，在ARM 終端進(jìn)行存儲和顯示。該系統(tǒng)具有實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)界面交互等功能，能及時有效地監(jiān)控塔機(jī)的工作情況。

硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集單元、信號處理單元以及數(shù)據(jù)發(fā)送單元組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。數(shù)據(jù)采集單元 主要為采集塔機(jī)工作參數(shù)的各類型傳感器; 信號處理單元 主要將采集到的信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)臨時存儲和任務(wù)調(diào)度;數(shù)據(jù)發(fā)送單元主要負(fù)責(zé)加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)緩沖、加密發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

ZigBee模塊設(shè)計 本文ZigBe節(jié)點(diǎn)采用的芯片為德州儀器( TI) 公司生產(chǎn)的 CC2530F256 芯片能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計對于 ZigBee 的要求。

ARM 監(jiān)控終端設(shè)計

本文選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 STM32F103 芯片 作為主控制器，能夠很好地滿足嵌入式領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、低?耗、實(shí)時性的要求。系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過 ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn)行接收，協(xié)調(diào)器通過 UART 串口與ARM 板進(jìn)行連接，ARM上的LCD 顯示屏實(shí)時顯示采集的工況參數(shù)，同時將數(shù)據(jù)存儲 到 SD卡中。監(jiān)控終端的總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

ZigBee與ARM 板連接時，協(xié)調(diào)器上的 CC2530 的P0 口配置為外設(shè) I/O 模式， P0 口的 2 ～ 5 引腳分別映射為，并分別連接 ARM 板子上UART1 口的 TXD， RXD 引腳。UART 通信參數(shù)設(shè)定為比特率為115200 bit/s，數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為1 bit，校驗(yàn)位為無，硬件流控制為無。

系統(tǒng)抗干擾設(shè)計 ZigBee 工作時會受到工作在該頻段的其他設(shè)備的干擾，其中， WiFi 是最主要的干擾源。因此，在ZigBee工作過程中主要考慮如何避免或者減少WiFi 的干擾。

本文提出了一種基于多信道檢測干擾規(guī)避( multi-channel detection interference avoidance， MDIA) 算法，該算法首先通過誤碼率 ( bit error rate,BER) 和丟包率( packet loss rate，PLR) 來判斷 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)受到干擾的程度，設(shè)定門限值，當(dāng)超過這個值時，系統(tǒng)會進(jìn)行多信道的檢測，直到找到合適的信道為止。 干擾檢測流程 針對 ZigBee 設(shè)備在工作中面臨的干擾問題，本文研究了原有的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突規(guī)避( carrier sense multiple access/contention avoidance， CSMA/CA) 機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出 MDIA 算法。圖 4 為 MDIA 算法流程。系統(tǒng)首先 會判斷關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的 BER 值，如果值過高導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法正常通信，此時設(shè)備會檢查數(shù)據(jù)包的丟包率，然后根據(jù)結(jié)果決定是否開啟鏈路質(zhì)量檢測，若鏈路質(zhì)量不佳，則對信道進(jìn)行進(jìn) 一步掃描，根據(jù)接收信號強(qiáng)度指示( received signal strength indication， RSSI) 的平均值來判斷設(shè)備是否正受到電磁干擾。

多信道檢測 通過研究對比 ZigBee 和 WiFi 子信道分布如圖 5，可以 看到， 802．15．4 下的 ZigBee 設(shè)備可以使用的信道為11 ～26 共16 個信道，每個子信道的帶寬為5 MHz，同時， WiFi 工作 在1.6， 113 個子信道，每個子信道帶寬為22 MHz。可以看到，一個 WiFi 信道與4個 ZigBee 信道重疊，因此，工作在這12 個子信道內(nèi)的 ZigBee 設(shè)備最容易受到WiFi干擾， 丟包率也最為嚴(yán)重。但ZigBee子信道上的 15，20，25 和 26 信道，卻并沒有 WiFi 子信道分布，即這4個ZigBee 子信道上的 WiFi 信號能量將會很弱，受到的干擾也較小。如果ZigBee在檢測到干擾之后能夠優(yōu)先檢測受WiFi 影響最小的15，20，25， 26 信道，如果這4 個信道不滿足條件再掃描其他信道，不但可以快速找到合適的信道，同時降低了干擾的影響。

對于剩余的信道， MDIA 算法采用的是“左右輪詢”的方式， ZigBee的信道為 11～ 26，除去第一步中優(yōu)先檢測的 15，20, 25，264 個信道，然后將信道11，26 相連接，使得剩余 的12 個信道形成循環(huán)。算法會首先檢測當(dāng)前信道左側(cè)的信道，若PLR的值低于門限值，則說明該信道可用，此時系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到該信道繼續(xù)工作。反之，算法會檢測當(dāng)前信道右側(cè)的信道。算法檢測的原則為由近及遠(yuǎn)，成對進(jìn)行。系統(tǒng)的跳頻掃描在這個環(huán)上進(jìn)行。假設(shè)當(dāng)前系統(tǒng)使用的是信道13，當(dāng)發(fā)生電磁干擾時，算法會首先掃描信道12，然后掃描信道14，如果信道都不可用，系統(tǒng)會緊接著掃描11， 16 信道( 信道15在第一步中被優(yōu)先掃描) ，假設(shè)此時還沒有合適的信道，系統(tǒng)就會檢測信11左側(cè)的信道24，然后右側(cè)為信道17，以此類推，最后整個信道的檢測順序?yàn)?span lang="EN-US">:12,14; 11，16;24，17;23，18;22，19;21。和傳統(tǒng)依次遞增檢測的方式相比，“左右輪詢”法能夠讓系統(tǒng)更快找到 WiFi 信號干擾較弱的頻段，從而可以快速轉(zhuǎn)換信道，提升系統(tǒng)性能。

模型搭建 在前文分析的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了系統(tǒng)模型，如圖 6 所示,采用 MATLAB/Simulink 搭建，模擬了1 路 ZigBee 信號， 默認(rèn)信道為13，模擬了2 路 WiFi 干擾信號，占用信道 1 和 信道6，兩者信源都是由伯努利( Bernouli) 信號發(fā)生器隨機(jī)產(chǎn)生。本文中算法主要通過 MATLAB 代碼實(shí)現(xiàn)，并通過代碼控制 Simulink 模型得出相應(yīng)的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 圖7 所示為誤碼率的仿真結(jié)果，設(shè)定干擾時間開始于 0.2 s，結(jié)束于0.7 s， ZigBee 數(shù)據(jù)包的個數(shù)為2048，每個數(shù)據(jù)包的大小為1024 bit。通過圖中的對比可以看出，在初始的0.2 s 內(nèi)，由于沒有受到干擾，系統(tǒng)均可以正常運(yùn)行。0.2 s 出現(xiàn)干擾時，沒有 MDIA 算法的設(shè)備誤碼率迅速上升到接近為100 %，表明此時系統(tǒng)已經(jīng)無法正常工作。而采用改進(jìn)算法 MDIA 的設(shè)備，在受到干擾的 0.1 s 內(nèi)，誤碼率會有上升，達(dá)到門限值之后，設(shè)備檢測到干擾并開始進(jìn)行信道選擇，之后從0.3 s 開始，誤碼率再次降到正常水平，表明此時 設(shè)備已經(jīng)找到合適的信道并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，繼續(xù)正常工作。

圖8 所示為有無 MDIA 算法的設(shè)備在受到干擾時數(shù)據(jù)吞吐量的對比結(jié)果，干擾時間設(shè)為 0． 2 ～0． 7 s。可以看出， 在WiFi干擾下，沒有 MDIA 算法的的設(shè)備吞吐量幾乎為 0 kbps，此時設(shè)備已經(jīng)不能正常工作。而采用 MDIA 算法的 設(shè)備先進(jìn)行干擾的檢測和信道的轉(zhuǎn)換，因而在一開始吞吐 量也幾乎為0 kbps，在跳轉(zhuǎn)到新的信道之后，設(shè)備吞吐量回 歸正常值。

本文根據(jù)塔機(jī)安全監(jiān)控的需要，設(shè)計了一種基于 ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對 ZigBee 設(shè)備在工作中面臨的 WiFi 干擾的問題，本文研究了原有的 CSMA/CA 算法，并在 此基礎(chǔ)上，提出了 MDIA 算法。該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便、抗干 擾能力強(qiáng)、成本低、功耗小的特點(diǎn)，具有重要的實(shí)際意義和 一定的運(yùn)用推廣價值。