基于ZigBee无线网络的重锤式料位计系统

　　1 ZigBee技术

　　1.1 ZigBee 技术的特点

　　ZigBee 技术主要具有低速率、低功耗、低成本、时延短和高安全性等特点。ZigBee 技术的数据传输速率只有 20～250Kb / s(2.4GHz)或40kb / s(915MHz)和 20kb / s(868MHz)的原始数据吞吐率 ，满足低速率传输数据的应用要求。 ZigBee 节点在低功耗待机模式下，两节普通 5 号电池可使用 6～24 个月，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。 因为 ZigBee 数据传输率低，协议简单，所以大大降低了开发成本，并且 ZigBee 协议免收专利费用。 ZigBee网络节点的硬件成本一般可控制在 1000 元以下。 ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠状态唤醒到工作状态只需要 15ms，节点连接进入网络只需要 30ms，进一步节约了能源。 ZigBee 提供了三级安全模式。 使用接入控制清单，防止非法获取数据以及采用高级加密标准(ASE-128)的对称密码，以灵活地确定其安全性。

　　1.2 ZigBee 的组网

　　图 1 为 ZigBee 无线网络整体结 构 图 ， 本 网 络 采用 了ZigBee 系统中最简单的星型结构(Star)，星型结构最简单，包括一个协调器、若干 ZigBee 适配器以及计算机监控中心。 在多数工业现场环境区域不大的情况下，用星型结构可满足要求。 如果区域较大， 可以采用网状结构 (Mesh) 和簇状结构(ClusterTree)。

　　在整个网络中，ZigBee 协调器是整个网络的主要控制者(原理图如图 2)，负责建立新的网络、发送网络信标 、管理网络中的节点以及存储网络信息等。ZigBee 适配器采集终端料位计数据， 并将这些数据通过 ZigBee 技术传回 ZigBee 协调器。

　　ZigBee 协调器通过串口等方式传送数据至上位机，通过相应的上位机软件实现自动控制。 本系统 ZigBee 协调器中使用了现在应用较为广泛的 CC2430 模块。 CC2430 在单个芯片上整合了 ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。 在接收或发射模式下，工作电流损耗分别低于 27mA，从休眠模式转换到主动模式时间极短，因此特别适合要求低功耗的应用。

　　2 料位计系统

　　2.1 料位计机械部分

　　探测器的机械机构如图 3 所示，其中 E 为 220V 交流电机，C 为钢丝绳绞盘，D 为钻孔，K1 为计数接近开关，K2 为下限接近开关，K3 为上限接近开关。B 为探测重力板，F 为摆动轮架，A 为摆动轮，T 为弹簧，X 为限位开关，当系统出现故障时，探测重力板 B 触发 X 来切断整个系统的供电，达到保护系统的目的。

　　2.2 料位计工作原理

　　通过料位计得开始按钮或者远程计算机的控制指令，启动交流电机带动钢丝绳和重捶，在水泥生料仓内向下移动，而钢丝绳绞盘转动，触发计数接近开关 K1 产生脉冲，通过单片机计数;当重锤到达水泥仓中料位得顶部时，钢丝绳得张力迅速减小，触发下限接近开关 K3，使其产生一低电平脉冲，单片机停止计数。 单片机最终的计算值除以钢丝绳绞盘上的过孔数，然后乘以圆盘的周长，就得到料位计的底部与水泥仓料位顶部直线间的距离。