CNC压机无线传感器网关设计

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摘 要：构建了基于ZigBee协议的cnc压机无线传感器网络，完成了采用ATMEGA128L处理器和CC2420射频芯片的嵌入式网关节点设计，提高了CNC压机数据传输的精确性和可靠性。

关键词：CNC压机；传感器；无线；网关

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）01-00-03

0 引 言

航空电连接器玻璃粉末CNC压机系统，在设计上采用先进的智能数控技术，配备高精度闭环控制伺服液压系统、可控模冲模架和智能机械手系统，建立集成各种精确测量传感器、辅助设备的计算机压制控制中心，确保生产过程质量精确控制，提高压制产品的尺寸、形状和位置精度，实现压机系统和自动生产线设备数据的连通。可靠、有效传输传感器数据是压机控制中心进行数据处理的前提，针对压机传感器数量多、种类多、传感器数据与生产线其他设备共享的生产现状，CNC压机系统传感器数据采用无线传输的方式进行数据采集和传输，提高数据实时传输、快捷传输和其他系统数据互联互通的能力。无线传感器网络网关设计是CNC压机系统无线数据传输系统顺利工作的关键。

1 无线传感器网关设计

1.1 无线传感器网关系统组成

CNC压机系统无线传感器网络系统的基本组成部分是由大量的节点和少数的网关组成。传感器节点主要负责压机及辅助设备工作过程中的数据的采集、处理及传输。传感器节点随机部署在所需测量的各个设备组件中，每个节点可以采集数据，并采用自组多跳路由无线方式将信息传送给网关节点。网关节点是一类特殊的节点，网关的作用主要负责在两个不同协议的网络之间进行数据转换，实现不同网络之间的信息交换。传感器网关节点是组成无线传感器网络的重要组成部分，是构成无线传感器网络的基础平台。

CNC压机的无线传感器网关节点主要应用于压机本身的生产控制和生产线上其他设备的数据传输，所需节点有功耗低、成本低、体积小等限制条件，设计采用基于射频芯片CC2420和处理器ATMEGA128L为核心的无线传感器网络的硬件节点，无线网关系统的组成如图1所示。

图1 无线网关系统组成

1.2 网关硬件模块组成

无线传感器网关是一个微型的嵌入式系统，一般由无线通信模块、处理器模块、传感器模块和电源模块组成，网关硬件连接如图2所示。网关节点有较强的信息处理能力和存储能力，对目标地点进行信息数据的采集、处理，并把收集到的信息转发到外部网络，节点具有串行接口，通过这些接口实现与其他系统网络的连接。

图2 网关硬件连接图

无线网关的网关节点的通信模块接收其他节点经无线方式发射的数据，然后传送给处理器作进一步处理，数据在处理器单元得到处理后，经过部分数据的融合、转发实现用户对数据的管理、查询等功能。数据处理完毕后，通过串行接口RS 232将数据传送至压机CNC控制中心或其他系统设备。

1.3 网关硬件的选型

无线通信模块和数据处理模块是网关的核心组成部分，对硬件的选型主要是对射频芯片以及微处理器的选择。射频芯片的性能要满足ZigBee协议对硬件的要求。对微处理器的选择还要从器件的体积、功能、外部接口、存储容量、速率、成本、功耗等各方面是否满足压机系统的实际需要来进行比较，对射频芯片的选择从器件的功能、能耗、封装大小、应用电压等各方面来进行考虑。

（1）微处理器选型。压机系统设计的网关在实际使用时采用TinyOS操作系统，主要应用于生产环境中，传感器节点需要采集位移、压力、电压、流量、温度等设备运行时的数据信息，相应地网关也需要转发其他节点发送来的繁杂数据信息给上位机，同时为避免系统升级而更换硬件带来的不便，节点预留了部分存储空间。在综合比较分析了各项指标后，选择了Atmel公司生产的ATMEGAL28L，它拥有更大的容量，功能众多的I/O接口以及较低的价格，且6种低功耗睡眠模式满足ZigBee协议对硬件的要求。

（2）射频芯片选型。压机系统设计的网关采用ZigBee协议，因此对射频芯片的选择必须符合IEEE802.15.4/ZigBee协议。常见的有美国Ember公司的EM2420、ComXs公司的ML7065、挪威Chipcon公司的CC2420等。射频芯片的选择主要是从芯片功能、能耗、封装大小、通信距离、芯片工作时所需器件的多少，是否支持小电压工作，睡眠电流以及资料是否详实等各方面来进行综合考虑。通过综合比较，选择CC2420芯片作为网关的射频芯片。

1.4 网关接入上位机的硬件实现

根据在压机系统实际工作的需要，设计的网关主要由数据处理、无线收发和电源三个单元组成。网关除了提供给传感器节点接入Internet的接口、运算、存储、电源等基本的嵌入式系统模块之外，它还需配备与传感器节点配套的各个通信接口。网关的硬件图如图3所示。

图3 网关硬件图

1.5 无线传感器网关的硬件实现

（1）网关处理器电路图设计。网关以ATMEGAL28L处理器为核心，同时配备了512 K Flash存储器，支持外部中断，有强大的同步/异步串行通信接口，支持SPI通信。射频模块采用Chipcon的CC2420实现，该芯片支持IEEE802.15.4物理层和数据链路层标准，工作于2.4 GHz频段，最大数据达250 b/s。采用RS 232串行接口，配置MAX232电平转换单元。压机系统的ATMEGAL28L以及它的电路图如图4所示。

（2）电平转换单元设计。ATMEGAL28L通过普通I/O口与PC机RS 232串口实现通信的硬件接口电路如图5所示。由于PC系列微机串行口为RS 232标准接口，与输入、输出均采用TTL电平的ATMEGAL28L在接口规范上不一致，RS 232信号的电平范围为-12 V～-5 V，5 V～12 V，单片机串口信号为0 V～3 V，因此需要采用电平转换器件。系统采用MAXIM公司的MAX232标准RS 232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5 V）实现RS 232接口逻辑“1”（-3 V～-15 V）和逻辑“0”（+3 V～15 V）的电平转换。

图4 ATmega128L电路图

图5 PC机与处理器硬件接口电路示意图

1.6 射频模块初始化

CC2420进行无线通信前需进行初始化，初始化分为对ATMEGAL28L的有关端口进行初始化，对CC2420相关寄存器进行初始化及对无线通信进行初始化三部分。对端口初始化包括对ATMEGAL28L的SPI端口进行初始化，并将VREG_EN管脚输出高电平打开CC2420的电压调整器，RESET_N管脚置低电平激励RF_RESET_复位CC2420。CC2420在复位时对各寄存器均进行默认的初始化，CC2420的初始化流程图如图6所示。

图6 CC2420初始化流程图

CC2420发送子程序。在初始化程序中，CC2420 MDMCTRL1.TX_MODE置位，初始化后，节点准备发送数据，首先判断SFD引脚和FIFOP脚的状态，当CC2420发送接收空闲时，清空TXFIFO发送缓存区并将需要发送的数据包以IEEE 802.15.4 MAC层数据帧格式依次写入，若RSSI有效且STXONCCA信道估计显示信道空闲，则写命令选通寄存器STXONCCA使能发送功能，发送数据包。图7所示为CC2420发送程序流程图。

CC2420接收子程序。在初始化程序中，CC2420 MDMCTRL1.RX_MODE置位，CC2420接收工作在RX FIFO缓冲工作模式。MDMCTRL0.ADR_DECODE设置为1，CC2420启动硬件自动地址识别，在接收时，CC2420将自动识别源地址和目标地址。IOCFG0.BCN_ACCEPT设置为0，CC2420只接收匹配PAN ID标识符的数据帧。MDMCTRL0.AUTOCRC置位，源节点发送数据时在最后一个数据发送完毕后自动发送16位校验码，目标节点在接收时自动计算帧的CRC校验；当接收节点接收到完整的数据包后，在12个信号周期内自动向源节点回复成功接收的确认帧。图8所示为CC2420接收程序流程图。

图7 发送程序流程图 图8 接收程序流程图

2 结 语

玻璃粉末CNC压机系统采用无线传感器网关技术，把CNC压机的各类传感器数据和压机控制系统进行实时连接，提高传感器数据传输的可靠性、精确性和便捷性，同时传感器获得数据通过无线的方式传输到生产线其他配套设备中，为生产线其他设备的平稳、安全运行提供了参考数据。

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