摘  要： 自動(dòng),、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確,、詳細(xì)地獲取鋼鐵連鑄設(shè)備的信息,，是鋼鐵連鑄設(shè)備生產(chǎn)線維修、維護(hù)和大修MRO協(xié)作平臺對設(shè)備故障預(yù)測的關(guān)鍵,。針對此平臺的需求構(gòu)建了基于M2M技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。它不僅能夠?yàn)殇撹F企業(yè)提供新的數(shù)據(jù)源，而且能夠在一定程度上改進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)和維修流程,。
關(guān)鍵詞： M2M技術(shù),；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；MRO協(xié)作平臺

　國內(nèi)制造業(yè)的設(shè)備維修管理服務(wù)需求不斷攀升,。迫切需要研發(fā)面向大型裝備的維修,、維護(hù)和大修MRO(Maintenance， Repair and Overhaul)協(xié)作平臺,，為裝備制造企業(yè),、裝備用戶企業(yè)和裝備服務(wù)企業(yè)提供全面的數(shù)字化解決方案和信息化集成技術(shù)，推動(dòng)制造服務(wù)業(yè)跨越式發(fā)展[1],。目前,，雖然對鋼鐵連鑄設(shè)備的MRO協(xié)作平臺的研究已有一定的成果,，但還有一些不足：(1)由于缺少有效的信息通信機(jī)制，不能自動(dòng),、實(shí)時(shí),、準(zhǔn)確、詳細(xì)地獲取連鑄設(shè)備的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境,、生產(chǎn)加工等信息,，造成鋼鐵企業(yè)的連鑄生產(chǎn)線與企業(yè)信息化系統(tǒng)之間無法實(shí)現(xiàn)緊密的信息集成。(2)由于連鑄生產(chǎn)線設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜,，生產(chǎn)環(huán)境非常惡劣,，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸頻繁，從而使得難以對全部的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,。
　本文正是在這種背景下,，提出M2M(Machine to Machine)技術(shù)在此協(xié)作平臺中應(yīng)用。M2M即機(jī)器與機(jī)器之間的通信,，通過一些通信模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間數(shù)據(jù)交換[2],。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳,，提高了信息處理效率,；數(shù)據(jù)集中處理與保存，實(shí)現(xiàn)信息集中管理,；數(shù)據(jù)保存時(shí)間長,，存儲安全；可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制,，時(shí)效性高；無線方式傳輸數(shù)據(jù),，監(jiān)控終端運(yùn)行狀態(tài),，保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行。利用M2M的關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)和CDMA遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息傳輸技術(shù),，實(shí)現(xiàn)從傳感器到測控中心的遠(yuǎn)程無線傳輸方案,，解決了鋼鐵連鑄設(shè)備的MRO協(xié)作平臺面臨的問題。
1 鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。主要包括連鑄設(shè)備(A,，…，N)采集節(jié)點(diǎn)模塊,、傳感器及鋼鐵連鑄設(shè)備參數(shù)的局域網(wǎng),、CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)、鋼鐵連鑄設(shè)備遠(yuǎn)程服務(wù)器,、數(shù)據(jù)庫以及遠(yuǎn)程用戶終端等幾個(gè)部分,。

　其中,，連鑄設(shè)備采集節(jié)點(diǎn)模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，基于TI公司的ZigBee技術(shù)方案,，即CC2430芯片結(jié)合無線ZigBee協(xié)議線實(shí)現(xiàn)的ZigBee MESH網(wǎng)[2]，如圖1所示,。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包含傳感器節(jié)點(diǎn),、協(xié)調(diào)器和匯聚節(jié)點(diǎn)3種設(shè)備。協(xié)調(diào)器通過433 MHz射頻技術(shù)組成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò),，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁髯缘膮f(xié)調(diào)器,，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)匯總后，再通過433 MHz射頻技術(shù)傳送到星型網(wǎng)匯集器,，即整個(gè)系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn),，然后通過CDMA技術(shù)，將采集數(shù)據(jù)通過無線CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet對接,，最終把數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器,。該系統(tǒng)的關(guān)鍵電路包括ZigBee無線傳輸模塊接口和CDMA無線通信模塊接口兩部分。
2 鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)
　鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是連鑄設(shè)備傳感器節(jié)點(diǎn),，傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)包括傳感器模塊,、微處理器模塊(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU,、存儲器等),、無線通信模塊和電源模塊四個(gè)單元，如圖2所示,。其中,，傳感器模塊完成監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和信號轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)載控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,、存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù),；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù),；電源管理模塊為其他功能模塊單元提供正常工作所必需的能源,。

2.1 傳感器模塊
　連鑄生產(chǎn)線的設(shè)備狀態(tài)信號有振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度,、轉(zhuǎn)速,、溫度、電流等信號,。本文選用德國HLP公司TS118-3紅外溫度傳感器,，該傳感器采用熱電堆紅外非接觸測溫技術(shù)，紅外測溫技術(shù)能快速,、可靠地測量熱的,、危險(xiǎn)的或難以接觸的物體,，且不會污染或損壞被測物。非接觸紅外測溫技術(shù)可方便地測量物體的表面溫度,，不需要機(jī)械地接觸被測物體,。測溫范圍從-40 ℃~3 000 ℃，加上光路后測量距離從0~10 m均可準(zhǔn)確測量,。本文設(shè)計(jì)的溫度傳感器模塊電路圖如圖3所示,。

2.2 微處理器模塊
　微處理器模塊選用了TI公司的CC2430芯片。CC2430芯片上集成了ZigBee射頻CC2420芯片,，其具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性,，并集成了內(nèi)存和一個(gè)8 bit的8051微控制器，具有128 KB的RAM和高性能,、低功耗的微控制器,，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer),、AES128協(xié)同處理器,、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器,、上電復(fù)位電路,、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳,。CC2430芯片采用7 mm  ×   7 mm QPL封裝,，共有48個(gè)引腳，分為電源線引腳,、控制線引腳和I/O端口引腳,；采用0.18 μm CMOS工藝，工作時(shí)的電流損耗為27 mA,，在接收和發(fā)射模式下,，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430具有休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性[3],。
2.3 電源模塊
　電源模塊采用鋰電池為傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行提供必需的能量。電池監(jiān)測采用MAXIM公司的DS2762,，它集數(shù)據(jù)采集,、信息存儲和安全防護(hù)于一身，功能強(qiáng)大,，僅1 根雙向數(shù)據(jù)線與控制器通信,。DS2762芯片具有兩種電源模式：工作模式下，可實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓,、電流和剩余電量等參數(shù),，最大工作電流為90 μA,；睡眠模式下，最大電流≤2 μA[4],，符合低功耗的要求,。電源模塊電路原理如圖4所示。因電池容量有限,，傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)均首要考慮降低功耗,。為實(shí)現(xiàn)長期測試，系統(tǒng)提供兩種方式供給能源,。

　(1)外接交流電源供電：連鑄生產(chǎn)線的設(shè)備安裝有照明等220 V交流電源,，通過AC/DC 模塊可將其轉(zhuǎn)換為 +3.3 V，此方案適用于附近有交流電源可借用的節(jié)點(diǎn),。    (2)更換鋰電池： 鋰電池設(shè)計(jì)成推拉式機(jī)械安裝,，易于更換。實(shí)際應(yīng)用時(shí),，無線傳感器節(jié)點(diǎn)和焊接式電阻應(yīng)變計(jì)之間常通過一定長度(0.5～2 m)的屏蔽導(dǎo)線連接,，其優(yōu)點(diǎn)是使通信模塊天線盡可能位于空曠位置，減少金屬障礙物阻擋,；無線傳感器節(jié)點(diǎn)可安裝在技術(shù)人員便于到達(dá)的位置,，易于更換電池。對于戶外機(jī)械,，若個(gè)別位置非常不易于前往更換電池,，也可外接太陽能電池供電，只是電池板尺寸,、蓄電池容量大小,、安裝角度以及與金屬結(jié)構(gòu)間的安裝方式均需根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)。
3 CDMA無線通信模塊接口設(shè)計(jì)
　鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CDMA無線通信方式,，向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),。相對于GPRS方式而言，CDMA無線傳輸方式在穩(wěn)定性,、速度,、帶寬等方面更具優(yōu)勢。CDMA無線通信模塊選用AnyDATA公司的DTU800,，為目前世界上同類型產(chǎn)品中體積最小,、速度最快的CDMA數(shù)據(jù)模塊，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)153.6 kb/s,，平均速率為80 kb/s~100 kb/s[5],。CDMA無線通信模塊與處理器的連接較為簡單，將DTU 800的標(biāo)準(zhǔn)串口與處理器的串口連接即可,，接口電路如圖5所示,。本設(shè)計(jì)使用CC2430的USART0端口(TXD,、RXD引腳)與DTU800的USART1端口(DP_TXD、DP_RXD引腳)傳輸數(shù)據(jù),。DTU800內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,，大大降低了數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)的難度，也增強(qiáng)了微處理器處理其他數(shù)據(jù)的能力,。DTU800支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令,，DTU與MCU主機(jī)單元的通信可通過調(diào)用相應(yīng)的AT指令實(shí)現(xiàn)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　軟件系統(tǒng)主要完成監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的接收和處理,、監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳等任務(wù),。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要功能模塊包括ZigBee通信處理模塊,、CDMA通信處理模塊等部分,。
　(1)ZigBee通信處理程序設(shè)計(jì)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),，同時(shí),，接收來自匯聚節(jié)點(diǎn)的查詢命令，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收時(shí),，轉(zhuǎn)入休眠模式,，使節(jié)點(diǎn)功耗降到最低。而匯聚節(jié)點(diǎn)一方面負(fù)責(zé)組建無線網(wǎng)絡(luò),；另一方面將兩個(gè)使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接在一起,，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的通信任務(wù),，并把接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò),。傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。

　(2)CDMA無線通信程序設(shè)計(jì)
　匯聚節(jié)點(diǎn)以固定的時(shí)間間隔向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),，同時(shí)接收遠(yuǎn)程服務(wù)器的控制指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作,。匯聚節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上電時(shí)，先執(zhí)行初始化,，然后使用AT指令建立PPP,、TCP/UDP通道連接，接入CDMA網(wǎng)絡(luò),， 并獲得CDMA移動(dòng)通信數(shù)據(jù)網(wǎng)管系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配的IP地址,。連接建立后，當(dāng)基站的數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí),，即可直接將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給DTU打包傳送。
　數(shù)據(jù)傳輸采用面向連接的,、可靠的TCP協(xié)議,。在使用CDMA通信模塊前,，需要對DTU進(jìn)行設(shè)置，以設(shè)定其工作方式,。CDMA通信程序要完成DTU的設(shè)置,、數(shù)據(jù)發(fā)往遠(yuǎn)程服務(wù)器、接收應(yīng)答和控制信令等操作,。匯聚節(jié)點(diǎn)定時(shí)進(jìn)行CDMA數(shù)據(jù)發(fā)送的中斷程序流程,，如圖7所示。

　本文根據(jù)鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺的需要,，利用基于M2M的關(guān)鍵技術(shù)ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和CDMA通信,，構(gòu)建了遠(yuǎn)程采集鋼鐵連鑄設(shè)備數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺提供了有效的數(shù)據(jù)源,。以便鋼鐵連鑄MRO協(xié)作平臺自動(dòng),、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確,、詳細(xì)地獲取設(shè)備的運(yùn)作情況實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障的預(yù)測,。
　雖然該系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，但是對M2M技術(shù)在鋼鐵連鑄設(shè)備MRO協(xié)作平臺的應(yīng)用尚處于起步階段,，尤其是在使用環(huán)境比較惡劣,，且連鑄設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜的情況下，其工作的穩(wěn)定性和可靠性還有待驗(yàn)證,。只有通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn),，才能進(jìn)一步完善系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定成熟,，達(dá)到其要求,。
參考文獻(xiàn)
[1] FLOTTAU J. Overhauling MRO[J]. McGraw-Hill Companies， 2005.
[2] 王玨明,，馮改玲,，王漫，等．基于M2M平臺的無線傳感網(wǎng)的研究[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,，2006,，23(7)：81-82，87．
[3] TI公司.SmartRF CC2430 peliminary (rev 1.01).2005.
[4] MAXIM公司.DS2762 Data Sheet.
[5] Any DATA． NET Inc． CDMA TeinaI DTu-800x reference manual[M]． 2004．