基于ZigBee技术的机械零件检测系统设计

王云良宋先斌

(1.常州机电职业技术学院 2.常州信息职业技术学院 江苏常州 213164)

基于ZigBee技术的机械零件检测系统设计

王云良1宋先斌2

(1.常州机电职业技术学院 2.常州信息职业技术学院 江苏常州 213164)

针对机械零件质量人工检测工作量大、效率低等现状，设计零件在线自动检测系统，通过影像传感器、霍尔传感器等进行零件数据采集，利用ZigBee协议将采集的数据传输到协调器，再通过以太网将数据传输到远程服务器，经过与数据库中数据的比对与分析，将零件是否合格的信息写入到RFID标签中，最终由分拣机构实现对零件的分离，达到零件质量自动检测的效果。

质量检测分拣系统;ZigBee技术;传感器

0 引言

机械零部件加工已经实现了机械化、自动化，而机械零部件的质量检测，主要依靠人工来完成［1］，通常有目视检查法、仪器测量法等［2］，在检测过程中人为因素大、检测工作量大，为了避免检测工作成为生产的瓶颈，本文设计了一套机械零部件质量检测分拣系统，通过传感器获取机械零部件各类参数，通过ZigBee协议传送数据至协调器，协调器将采集到的数据发送至服务器，通过与标准件参数的比对，实现机械零部件的自动检测，利用分拣装置最终实现合格产品与不合格产品的分离。

1 系统总体设计及系统结构图

被检测的机械零部件进入检测工序时，通过扫描枪获取零件的ID，并记录到数据库，系统从数据库中查询出该零件的名称、产品类型以及各类参数的标准。在检测过程中，零件要经过图像采集、霍尔传感器检测、超声波传感器检测和红外传感器检测等区域，当产品经过传感器区域时，传感器获取的数据通过扩展通讯模块节点，利用ZigBee网络传输至簇头节点，再传输给协调器，协调器将采集到的数据通过WiFi、3G等网络发送至服务器，通过把采集到的数据和该零件的标准数据进行分析比较，判断该零件是否合格，并将相关信息写入该零件的RFID标签中，当产品经过分拣机构时，系统会从服务器中查询到该产品的检测结果，并利用分拣机构的汽缸对不良品进行分类处理，从而实现对机械零部件检测的自动处理。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统ZigBee网络组建

2.1 无线传感器网络拓扑结构

在构建机械零部件质量检测分拣系统时，应该考虑多方面的技术要求，如拓扑控制、通信机制、节点部署、能量管理等。在无线传感器网络中，至少需要一个全功能设备作为网络协调器，完成网络的启动和分配其他设备角色与之通信，传感节点可以是精简功能设备，加入网络协调器已组建好的网络中进行数据的采集工作，其实现较为简单，可以降低系统的成本。

ZigBee网络层支持三种类型的网络拓扑结构，即星型网络结构(Star)、簇树状网络结构(Cluster-Tree)和网状网络结构(Mesh)。

考虑到本系统的复杂程度，采用簇树状网络结构，节点可以采用Cluster-Tree路由协议来传输数据。簇树状网络中，终端节点负责数据的采集，并将数据传输给簇头节点，簇头节点对数据做简单的处理后，发送至协调器，这些子网络的协调器又与上一级的子网络协调器或直接与主网络的ZigBee协调器进行通信。簇树状网络的网络结构可以延伸至复杂的结构，但网络信息的实时性也会变差，但它的一个显著优点就是它的网络覆盖范围非常大，并且路由算法也比Mesh网络简单。ZigBee簇树状网络拓扑结构如图2所示:

图2 簇树状网络拓扑结构

当协调器启动配置一个新的网络时，它会给自己配置一个网络地址0x0000，网络深度Depth0=0。如果一个新节点(i)想要加入这个ZigBee网络，且通过这个网络中的节点(j)连入，那么节点(j)被称作节点(i)的父节点。节点(j)根据自身的网络地址Address(j)和网络深度Depth(j)，给新节点(i)配置一个网络地址Address(i)和网络深度Depthi= Depth(j)+1。在采用父子关系的树状网络中，网络深度仅仅表示一个数据帧传递到ZigBee协调器所需要的最小跳数。ZigBee树状网络中协调器自身的网络深度为0，它的子设备网络深度配置为1。

2.2 终端节点设计

传感器节点是一个微型的嵌入式系统，通常由传感器单元(数据采集单元)、处理器单元(数据处理单)、无线通信单元(数据传输单元)和能量供应单元4个部分组成，如图3所示。传感器单元负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器单元包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等，负责整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据进行数据融合;无线通信单元负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据;能量供应单元为传感器节点提供所需的能量，通常采用微型高能电池。

图3 传感器节点系统结构

本系统中选择的美国德州仪器公司CC2530芯片包含一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗增强型工业标准的8位8051微控制器内核(运行时钟为32 MHz)。它具有64/ 128/256KB可编程闪存和SKB的RAM，还包含模/数转换器(ADC)、定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(WatchDog Timer)、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power on reset)、掉电检测电路(Brown out Detection)以及21个可编程I/O引脚。CC2530增强型8051内核使用标准8051指令集，具有8倍于标准8051内核的性能。

传感器是一种以一定的精确度把被测量的非物理量转换成为相应的某物理量的测量装置，传感器作为测量装置的输入端，是整个检测系统的重要环节，其性能将直接影响检测的精度，在本系统中，主要传感器有霍尔传感器、超声波传感器和红外线传感器等。

天线选用2.4 GHz贴片陶瓷天线，该天线体积小，采用陶瓷贴片天线时模块不会由于天线的原因体积过大。在工业生产环境中，通信模块之间的通信距离一般很短，并且通信节点众多，很容易寻找到路由路径，一般的陶瓷贴片天线增益就可以满足在工业生产检测中的通信要求。

2.3 协调器设计

ZigBee协议栈由一组子层构成，每层都为其上层提供一组特定的服务:一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务，每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP都提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能［3-4］。本文采用S3C4480嵌入式开发板，该开发板自带2M FLASH和8M RAM。网络芯片采用RTL8019 10M网络芯片。软件采用uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee协议栈+LWIP TCP/IP协议栈。Zigbee协调器基本功能为将基于TCP协议的网络与基于ZigBee协议栈的数据进行转换，从而可以将基于常用的以太网的数据发送到ZigBee网络中，也可以将ZiBbee网络中的数据发送到以太网中。

3 系统软件设计

3.1 系统流程

产品进入检测工序时，通过扫描枪获取到产品的ID，从数据库产品类型表中查询出该产品的名称、产品类型以及该产品应该达到的标准，并保存到服务器，在图像采集工位，通过摄像头捕获产品的图像信息，并上传至服务器，供远程Web监控使用，在产品数据测量工位，依次经过霍尔传感器、超声波传感器和红外传感器区域，测量产品的长度、宽度、高度等信息，将采集到的数据与数据库中的标准值进行比较，判断零件是否合格，对不合格的零件进行分类，将合格零件的检测参数写入RFID标签中。软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

3.2 数据库设计

根据系统需求分析，后台数据库共设计了3张表，分别为“产品类型表”、“产品质量检测表”和“临时测量数据表”，“产品类型表”中存储机械零部件的基本信息，包括类型、名称和规格等，“产品质量检测表”中存储零件的测量数据等信息，“临时测量数据表”中存储在测量过程中的临时数据。表结构如表1、表2、表3所示。

表1 产品类型表

表2 产品质量检测表

表3 临时测量数据表

3.3 系统检测Web界面设计

前台界面采用VS2005.NET设计，通过Web页面，可以远程监测机械零部件的检测过程，实现实时监测功能。界面如图5所示。

图5 机械零部件质量检测系统运行界面

4 结束语

针对机械零部件人工质量检测效率低、漏检率高等问题，根据机械零部件质量检测分拣系统的技术要求，本系统通过RFID读写器、扫描枪、摄像头、红外传感器等终端设备采集数据，通过ZigBee网络将数据传输至协调器，并通过以太网将数据保存在服务器里，通过与产品标准值的比对实现对产品质量的检测，最终通过分拣系统实现了合格产品与不合格产品的分离，具有较好的应用前景。

［1］ 张振祥.微小轴承表面缺陷检测中的自动分拣系统设计［J］.机电工程，2010(5):35-37.

［2］ 李旦，俞承芳.基于影像传感器的机械零件检测系统［J］.仪器仪表学报，2005，8(8):191-194.

［3］ 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究［J］.计算机应用与软件，2004，21(6):89-91.

［4］ 魏凯斌，苏和平.基于ZigBee的生产线监控系统的设计与实现［J］.自动化与仪器仪表，2011(3):49-53.

The Design of Testing System for Mechanical Parts Based on ZigBee Technology

WANG Yun-liang1SONG Xian-bin2
(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology2.Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

Facing with the reality of the heavy workload，low efficiency of artificial testing system of mechanical parts，the paper designs an on-line automatic detecting system on the basis of the following:the data are collect by image sensor，hall sensor and etc，and the are transferred to coordinator based on ZigBee protocol and transferred to the long-distance server by Ethernet;the information of testing result is written in the RFID label after comparison and analysis in the database and the mechanical parts are separated by the sorting system to achieve the result of automatic testing and sorting of the mechanical parts

quality testing and sorting system;ZigBee technology;sensor

book=90,ebook=90

TP 274

A

1672-2434(2012)03-0015-04

2012-02-10

王云良(1968-)，男，副教授，从事研究方向:物联网技术