基于CC2530uIP1.0的矿用起重机能耗感知系统Sink节点设计1

基于CC2530/uIP1.0的矿用起重机能耗感知系统Sink节点设计

张峰 宋泊明 徐溪 徐钊

（中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏 徐州 221008）

摘要:介绍了矿用起重能耗感知系统的构建，并且着重分析了该系统Sink节点的硬件构成与功能需求。在分析了uIP1.0协议栈的数据通信流程与特点的基础上，详细地讲述了如何在CC2530芯片上移植uIP1.0协议栈，以及Sink节点功能函数的编写。通过测试，验证了该设计方法能够准确地实现TCP数据包的传输，满足矿用起重机能耗感知系统数据传输需求。

关键词：起重机;能耗感知;uIP1.0;CC2530;

Design of Sink node of energy consumption perception system for mine crane

based on CC2530/uIP1.0

ZHANG FENG SONG BO MING XUXI XUZHAO

（School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008,China） Abstract: This paper introduces the construction of energy consumption perception system for mine crane and focusing on the analysis of the hardware configuration and functional requirements of the Sink node in the system. On the basis of analysis the workflow and features of uIP1.0 protocol stack, we explain in detail how to transplant uIP1.0 protocol stack in CC2530 chip and the preparation of center aggregation node functions. Through the test, we verify that the design method can realize the exact transmission of TCP data packet and meet the demand of data transmission in energy consumption perception system for mine crane.

Key words: crane；energy consumption of perception ; uIP1.0; CC2530;

0 引言

煤矿矿用起重机是安装在提升机房内用于安装、检修提升机及其附件的桥式起重机[1]。其承担了矿井大型、重型设备的起吊安装工作[2]，却难以避免成为现代社会中的能耗大户。由于之前我国对于起重机的节能与经济性重视不够，导致我国的起重机结构体积庞大，工作能效较低，再加之部分单位监管不严导致起重机事故频发，起重机的安全状态直接关系着人民群众的财产安全。在矿用起重机方面更是如此。

目前，国内对起重机有线监控系统的研究已比较成熟。但受有线传输方式的影响，在起重机工作运行状态下，难以对起重机的各方面机构进行动态信息采集，从而无法了解起重机工作中各个部件的能效状态。然而，随着物联网技术的发展，为解决起重机实时能耗监测提供了解决方案。因此，利用无线传感网络设计一套矿用起重机能耗监控系统，对矿用起重机能耗安全监控和能耗节约愈发重要。

送器对各机构的有功功率的瞬时值进行采样，其中功率因数由有功功率和视在功率的比值得出；利用压力传感器对起升机构的载荷进行测量；采用转速传感器对三个机构所用电机的瞬时转速进行测量采样；采用位移传感器对三个机构的运行距离进行实时测量采样。

本文中设计的矿用起重机能耗感知系统采用基于IEEE802.15.4的数据链路层无线传输协议，传感器将采集到的数据通过无线方式传给Sink节点。Sink节点再将收到的数据处理后、重组成以太网数据包，将数据上传至后台监控中心。能耗感知网络示意图如图1所示。

能耗感知节点能耗感知节点能耗感知节点无线传输链路Sink节点1. 能耗感知系统的构建

起重机能耗感知节点分布式布设在起重机的各个机构上，其需要采集的数据包括：依靠电压、电流传感器对起升机构以及大车、小车机构的输入电能特征的瞬时值进行采样；采用有功功率变

以太网起重机能耗监控中心

图1 能耗感知系统的结构示意图

2. Sink节点硬件设计

CC2530是符合2.4GHz IEEE 802.15.4的芯片，该具有RFID无线数据收发功能，具有最大256KB的Flash闪存储存器，可以实现大量数据的掉电无丢失存储。其无线收发器可实现最大250Kbps的传输速度，通信距离长，并且具有高接受灵敏度与强抗干扰能力等特点。经过实地测试，能够满足矿用起重机使用场合的复杂通信环CC2530和Eenc28j60的工作电压同为3.3V，考虑到矿用设备的工作在井下多噪声的环境中，决定选取TPS63031为3.3V的电压转换芯片。由于CC2530容易受到电源波纹的影响，所以在3.3V的输出后面增加了一个低压差线性稳压器（LDO）[4]

，用来滤除DC-DC模块输出的比较大的电源波纹，提高输出电压的稳定性。电源原理图如图4

2.2uh所示。 L1U1V3.74IN15L1L22V3.31312VinVoutGNDV3.25C4U2VLENVOUTVLNAPGNDRYIN58198境的要求。其丰富的接口资源能满足对各种传感器数据的采集需求。

Enc28j60是一个IEEE 802.3 兼容的，具有SPI接口的独立以太网控制器。其支持一个带自动极性检测和校正的10BASE—T端口，可在发生冲突时自动重发，并且自动拒绝错误数据包，数据传输速率高达10Mb/s[3]。

CC2530包含的USART0和USART1每个都可被选择地配置为SPI主/从模式或UART模式。本文中就是利用其SPI接口与Enc28j60以太网控制器相连组成一个Sink节点。在本文所设计的起重机能耗监测系统中，Sink节点就是采用CC2530无线射频芯片，以实现起重机工作参数的采集和无线收发。同时采用Enc28j60以太网控制器，在CC2530的驱动下，以实现将接收到的采样数据转换成以太网数据包，上传给后台监控中心。

Sink节点和各感知节点在硬件设计上基本相同。Sink节点硬件结构示意图和以太网控制器原理图分别如图2与图3所示。

Internet以太网中心汇MCUSPI接口Enc28j60聚CC2530芯片以太网控制器模块电源模块图2 Sink节点硬件结构示意图

图3 以太网控制器原理图

23CC710f3fu1fPS/SYNCFBuENGND4TuC1f17B.46ENGND9u01TPS78320TPS63031 图4 电源模块原理图 3. Sink节点软件设计

3.1 UIP简介与分析

uIP协议栈是一种保持代码大小和存储器使

用量最小的免费的TCP/IP协议栈[5]。保留了网络通信中必要的IP、ICMP、TCP、UDP协议的功能实现，而删掉了不常用的通信协议，协议具有很强的可裁剪性。与uc/IP，lwip和uc/ip等协议栈相比，其最大优缺点就是系统资源占用量少。所以对于8位或者16微处理机来说，使用uIP协议栈来实现以太网通信，是一个合适的选择。为移植工作做准备，需要进一步了解uIP的工作机制。通过分析源码，现将该协议栈对数据包的处理流程整理归纳如图4所示[5]。

图4 uIP对数据包的处理流程

3.2 uIP1.0在CC2530上的移植

BATTEuIP协议栈给用户提供了三个底层设备驱动程序：uip_periodic()、uip_init()和uip_input(),这三个函数需要根据具体的底层网卡设备来编写。Uip协议栈的应用程序是基于事件驱动模式的，TCP用户可以将系统中的接口函数UIP_APPCALL（）宏定义为自己编写的应用程序函数名，将自己要实现的事件功能挂接到uIP1.0协议栈中。针对起重机的应用程序，经过编译后，HEX文件大小只有30k,而CC2530具有内部256K的ROM存储器,对于起重机能耗感知系统的应用需求已经绰绰有余了。

3.2.1底层驱动函数编写

本次设计中使用的是网卡是Enc28j60。需要创建两个C文件：spi.c和Enc28j60.c。分别实现spi接口的初始化，读写函数，和网卡的驱动。编写好后将相关文 …… 此处隐藏：6130字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……