精密机械加工中的无线网络监控系统.pdf
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1、4 1 3 62 0 1 0,3 1(1 8)计算机工程与设计C o m p u t e r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g nI Im开发与应用精密机械加工中的无线网络监控系统杨青青(宁波大红鹰学院软件学院,浙江宁波3 1 5 1 7 5)摘要:针对精密加工中对加工信息管理的需求,结合精密加工的特点,设计了一种无线网络监控系统,对加工过程进行控制与检测。系统基于A R M 嵌入式技术,利用Z i g b e c(全新无线网络数据通信技术)与通用无线分组业务(g e n e r a l p a c k e t r a d i os e 卜v i c
2、e,G P R s)无线通信技术,组成无线监控网络,传输传感器数据与加工控制信号。重点讨论了该系统的硬件结构、软件架构,并提出一种混合式簇树路由算法,提高无线网络的路由速度,确保了加工信息通讯的低延迟通过精密非球面加工实例表明该系统的可行性,模拟实验结果表明了该路由算法的有效性关键词:精密机械加工;监控;无线网络;簇树路由中图法分类号:T P 3 9文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-7 0 2 4(2 0 1 0)1 8 _ 4 1 3 6 0 4P r e c i s i o nm a c h i n i n gp r o c e s sm o n i t o r i n ga n d
3、c o n t r o ls y s t e mo fw i r e l e s sn e t w o r k sY A N GQ i n g q i n g(C o l l e g eo f S o f h v a r eT e c h n o l o g y,N i n g b oD a h o n g y i n gU n i v e r s i t y,N i n g b o3 1 5 1 7 5,C h i n a)A b s t r a c t:A i m e da tt h ep r o b l e mo f t h em a n a g e m e n tf o rm a c
4、h i n i n gi n f o r m a t i o n,aw i r e l e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r k ss y s t e mf o rm a c h i n i n gp r o c e s si sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f p r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n g T h es y s t e me s t a b l i s h
5、e saw i r e l e s sn e t w o r k st ot r a n s m i tt h e 飘玎唧d a t aa n dm a c h i n i n gc o n t r o ls i g n a l sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m,z i g b e ea n dG P R S T h es U u c t t 矾o f h a r d w a r ea n dt h ef r a m e w o r ko f s o f t w a r ea md i s c
6、u s s e d Am i x e dt r e er o u t ea l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h es p e e do f r o u t i n ga n dd e c r e a s et h en e t w o r kd e l a y F i n a l l y,w ev e r i f yt h i ss y s t e mb ya p p l y i n gi tt oh i g h-p r e c i s i o na s p h e r i eg r i n d i n gm a c h
7、 i n i n gp r o c e s s,a n das i m u l a t i o ni sp r e f o r m e d 幻v a l i d a t et h em i x e d 打r o u t ea l g o r i t h m K e yw o r d s:p r e c i s i o nm a c h i n i n g;m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l;w i r e l e s sn e t w o r k s;t r e er o u t e0 引言在精密机械加工过程中为了保证加工精度,对精密加工系统的状态进行综
8、合的监测是一项非常关键的技术。它包括对机械状态量(如位移、振动、温度、压力和流量等)的监测【I J,状态特征参数变换的辨别,机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等。随着现代制造企业控制现代化水平的进一步提高以及生产规模的扩大,网络化监控技术受到关注,但多限于有线网络,通常利用企业局域网等有线方式对离散的数控机床进行联网,实现集中监测、控制和管理洲。近年来随着Z i g b e e 技术的出现,无线监控网络技术更是成为多领域的研究热点,该技术已经应用于医疗监护哪、农林业监测旧以及建筑桥梁健康监测等。但是将该技术应用到规模化精密机械加工过程的监测还很少。精密加工多在独立、封闭的环境中
9、进行,基于局域网组网的监控系统由于需要布线,无法应用在封闭的加工环境中,或是必须对封闭环境造成一定破坏,从而影响加工环境参数。采用无线通讯方式可以克服该问题。本文提出一种基于Z i g b e e和G P R S 技术的无线网络监控系统,该系统通过基于Z i g b e e技术组织一个无线网络进行加工现场的数据通信,并利用G P R S 技术将数据进行远程传送,以对规模化精密机械加工过程进行实时监控。l 无线网络方案的选择现有的无线网络大多采用无线保真技术(W i r e l e s s F i d e l i t y,W i F i),蓝牙和Z i g b o e 技术,它们工作在相同的频率
10、,都可以用于无线监控网络。对于大规模精密机械加工,选择Z i g l,e e 技术出于如下考虑:(1)成本。Z i g b e e 芯片1 美元左右。W i-F i 和蓝牙芯片一般是3 美元左右。使用Z i g b e e 整个系统的花费将大幅降低。(2)Z i g b e c 传输速度是2 5 0 k b p s,W i-F i 和蓝牙分别是5 4 M b p s 和1 2 M b p s。在精密加工中,主要发送传感器数据和加工控制信号,低速率已满足需求。0)网络容量。Z i g b c e 网络中心可运行6 4 0 0 0 个节点,W i-F i和蓝牙分别是3 2 和7。Z i g b e
11、 e 满足工业生产规模的不断扩大。“)能量消耗。Z i g b e e 的电流是3 m A。而W i-F i 和蓝牙分别是3 5 0 m A 和6 如1 7 0 m A。无线方案比较如表1 所示。收稿日期:2 0 0 9 1 0-1 6;修订日期:2 0 0 9-1 2 3 0 作者简介:杨青青(1 9 7 8-),女,河南杞县人,硕士。讲师。研究方向为计算机无线传输及远程监控等E-m a r l:y q q 2 0 1 1 6 3 c o r n万方数据杨青青:精密机械加工中的无线网络监控系统2 0 1 0,3 1(1 8)4 1 3 7表1 无线方案比较性能、F i蓝牙Z i g b e
12、e发射方式D S S SF H S SD S S S传输速率1 1 M b p sl M b p s2 5 0 K b p s最丈节点数3 276 4 0 0 0延迟大于3 5大于1 0 s3 0 t m传输距离1 0 0 m1 0 m7 0 1 1 1价格比较高由低2 系统硬件设计2 1 系统结构本系统是基于无线网络的监控系统,集成传感器、嵌入式计算和无线通信技术,采集和处理数据信息,并通过多跳自组织网络传送给监控者。系统结构如图l 所示,包括现场监控平台、主机、若干子机和远程监测平台。主机与子机是基于A R M 的嵌入式系统,它们组成z i g b e e 网络,主机是网络中心,子机是网络
13、节点。每个子机连接多个传感器,作为监测终端安装在加工车床上,工作时子机将这些传感器的信号采集、分析,通过Z i g b e e 网络把数据与结果发给主机,主机通过串口将各子机的数据交给现场监控平台(电脑),从而监控各个加工设备的工作状况。出现异常时,监控平台可以修正加工操作。同时,对于特殊的异常,需要异地的相关人员帮助及时分析、解决。主机可以通过G P R S 装置直接将数据发送给移动通信网络基站,基站将数据以T C P 口协议发送到I n t e m e t 的远程监测平台(电脑)上,供相关人员进行分析。同时系统根据具体应用的需要,可在子机、主机、电脑端建立数据库。图l系统结构2 0 子机硬
14、件设计系统硬件设计的主要工作是主机和子机。作为网络中心节点的主机,负责网络通信,无需传感器数据采集功能。因此在硬件设计时,去掉子机的数据采集部分即可。下面介绍子机硬件结构。子机由传感器、嵌入式计算和无线通信3 部分组成,其系统架构包括应用层、通信协议、操作系统、设备驱动以及相关硬件。硬件主要包括A R M 芯片、G P R S模块、Z i g b e e 芯片、多路模数转换器、硬盘以及其它标准外围设备等。子机可划分为两个模块:多传感器数据采集与处理模块、无线通信模块。如图2(a)所示,多传感器数据采集与处理模块是基于A R M 的嵌入式系统,采用S a m s u n g 公司的A R M 芯
15、片S 3(2 2 4 4 0,多路模数转换器是1 r I 公司的A D S l l 5 8,$3 C 2 4 4 0 通过其I O 接口连接A D S l l 5 8,产生A D S I l 5 8 的控制时序以及多通道的通路选择。$3 C 2 4 4 0 接收到A D S l l 5 8 的数字信号后,对数据进行传感器标定,根据需要还可以进行传感器数据融合、精密加工监测系统的数学建模等工作,为了建立较大的数据库,扩展了I D E 接口以连接硬盘。如图2(b)所示,无线通信模块包括Z i g b e e 和G P R S 两部分。Z i g b e e 芯片采用F r e e s c a l
16、e 公司的M C l 3 2 1 3,它通过串行外围设备接口(s e r i a l p e r i p h e r a l i n t e r f a c e,S P I)总线与A R M 相连,由A R M 对其进行控制与数据交换。G P R S 模块采用S I M C O M公司的S I M 3 0 0 C,有独立的多点控制单元(m i c r o c o n t r o l l e r u n i t,M C U),通过串口与J 址M 连接,通过A T 命令可以对其进行控制与通讯。I b 喇喇!拈妙量竺垒墨!II兰!Il8 3 筹。Il隧匦国3 系统的组网(I)多传感器数据采集与处理模
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