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本文正是在这种背景下，提出M2M(Machine to Machine)技术在此协作平台中应用。M2M即机器与机器之间的通信，通过一些通信模块实现机器与机器之间数据交换[2]。其具有以下优点：无需人工干预，实现数据自动上传，提高了信息处理效率；数据集中处理与保存，实现信息集中管理；数据保存时间长，存储安全；可实现实时监控和控制，时效性高；无线方式传输数据，监控终端运行状态，保障业务稳定运行。利用M2M的关键技术无线传感器网络ZigBee技术和CDMA远程数据信息传输技术，实现从传感器到测控中心的远程无线传输方案，解决了钢铁连铸设备的MRO协作平台面临的问题。
1 钢铁连铸设备数据采集总体结构设计
钢铁连铸设备数据采集总体结构如图1所示。主要包括连铸设备(A，…，N)采集节点模块、传感器及钢铁连铸设备参数的局域网、CDMA无线通信网络、钢铁连铸设备远程服务器、数据库以及远程用户终端等几个部分。
其中，连铸设备采集节点模块组成无线传感器网络，采用星型拓扑结构设计，基于TI公司的ZigBee技术方案，即CC2430芯片结合无线ZigBee协议线实现的ZigBee MESH网[2]，如图1所示。ZigBee网络中包含传感器节点、协调器和汇聚节点3种设备。协调器通过433MHz射频技术组成一个星型网络，ZigBee网络中的传感器节点可以将采集到的数据通过ZigBee网络传输到各自的协调器，协调器将数据汇总后，再通过433MHz射频技术传送到星型网汇集器，即整个系统的汇聚节点，然后通过CDMA技术，将采集数据通过无线CDMA网络和Internet对接，最终把数据传送到远程服务器。该系统的关键电路包括ZigBee无线传输模块接口和CDMA无线通信模块接口两部分。
2 钢铁连铸设备数据采集硬件设计
钢铁连铸设备数据采集系统的核心是连铸设备传感器节点，传感器节点的结构包括传感器模块、微处理器模块(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器等)、无线通信模块和电源模块四个单元，如图2所示。其中，传感器模块完成监测区域内信息的采集和信号转换；处理器模块负载控制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据；无线通信模块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；电源管理模块为其他功能模块单元提供正常工作所必需的能源。
2.1 传感器模块
连铸生产线的设备状态信号有振动位移、振动加速度、转速、温度、电流等信号。本文选用德国HLP公司TS118-3红外温度传感器，该传感器采用热电堆红外非接触测温技术，红外测温技术能快速、可靠地测量热的、危险的或难以接触的物体，且不会污染或损坏被测物。非接触红外测温技术可方便地测量物体的表面温度，不需要机械地接触被测物体。测温范围从-40 ℃~3 000 ℃，加上光路后测量距离从0~10m均可准确测量。本文设计的温度传感器模块电路图如图3所示。
2.2 微处理器模块
微处理器模块选用了TI公司的CC2430芯片。CC2430芯片上集成了ZigBee射频CC2420芯片，其具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，并集成了内存和一个8bit的8051微控制器，具有128KB的RAM和高性能、低功耗的微控制器，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用7mm×7mm QPL封装，共有48个引脚，分为电源线引脚、控制线引脚和I/O端口引脚；采用0.18μm CMOS工艺，工作时的电流损耗为27mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430具有休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性[3]。
2.3 电源模块
电源模块采用锂电池为传感器节点运行提供必需的能量。电池监测采用MAXIM公司的DS2762，它集数据采集、信息存储和安全防护于一身，功能强大，仅1根双向数据线与控制器通信。DS2762芯片具有两种电源模式：工作模式下，可实时监测电压、电流和剩余电量等参数，最大工作电流为90μA；睡眠模式下，最大电流≤2μA[4]，符合低功耗的要求。电源模块电路原理如图4所示。因电池容量有限，传感器节点的硬件和软件设计均首要考虑降低功耗。为实现长期测试，系统提供两种方式供给能源。
(1)外接交流电源供电：连铸生产线的设备安装有照明等220 V交流电源，通过AC/DC 模块可将其转换为 +3.3 V，此方案适用于附近有交流电源可借用的节点。(2)更换锂电池：锂电池设计成推拉式机械安装，易于更换。实际应用时，无线传感器节点和焊接式电阻应变计之间常通过一定长度(0.5～2m)的屏蔽导线连接，其优点是使通信模块天线尽可能位于空旷位置，减少金属障碍物阻挡；无线传感器节点可安装在技术人员便于到达的位置，易于更换电池。对于户外机械，若个别位置非常不易于前往更换电池，也可外接太阳能电池供电，只是电池板尺寸、蓄电池容量大小、安装角度以及与金属结构间的安装方式均需根据具体情况设计。
3 CDMA无线通信模块接口设计
钢铁连铸设备数据采集系统采用CDMA无线通信方式，向远程服务器发送数据。相对于GPRS方式而言，CDMA无线传输方式在稳定性、速度、带宽等方面更具优势。CDMA无线通信模块选用AnyDATA公司的DTU800，为目前世界上同类型产品中体积最小、速度最快的CDMA数据模块，数据传输速率最高可达153.6 kb/s，平均速率为80 kb/s~100 kb/s[5]。CDMA无线通信模块与处理器的连接较为简单，将DTU 800的标准串口与处理器的串口连接即可，接口电路如图5所示。本设计使用CC2430的USART0端口(TXD、RXD引脚)与DTU800的USART1端口(DP_TXD、DP_RXD引脚)传输数据。DTU800内嵌TCP/IP协议栈，大大降低了数据通信设计的难度，也增强了微处理器处理其他数据的能力。DTU800支持标准的AT指令，DTU与MCU主机单元的通信可通过调用相应的AT指令实现。
4 软件系统设计
软件系统主要完成监控节点采集数据的接收和处理、监测数据的上传等任务。软件采用模块化设计方式，主要功能模块包括ZigBee通信处理模块、CDMA通信处理模块等部分。
(1)ZigBee通信处理程序设计
ZigBee网络中的传感器节点主要负责采集环境数据，将这些数据传给协调器节点，同时，接收来自汇聚节点的查询命令，当没有数据的发送和接收时，转入休眠模式，使节点功耗降到最低。而汇聚节点一方面负责组建无线网络；另一方面将两个使用不同协议的网络连接在一起，实现两种协议之间的转换，同时发布管理节点的通信任务，并把接收的数据转发到外部网络。传感器节点和汇聚节点程序流程图如图6所示。
(2)CDMA无线通信程序设计
汇聚节点以固定的时间间隔向远程服务器发送数据，同时接收远程服务器的控制指令并执行相应的操作。汇聚节点系统上电时，先执行初始化，然后使用AT指令建立PPP、TCP/UDP通道连接，接入CDMA网络，并获得CDMA移动通信数据网管系统动态分配的IP地址。连接建立后，当基站的数据需要发送时，即可直接将数据帧发送给DTU打包传送。
数据传输采用面向连接的、可靠的TCP协议。在使用CDMA通信模块前，需要对DTU进行设置，以设定其工作方式。CDMA通信程序要完成DTU的设置、数据发往远程服务器、接收应答和控制信令等操作。汇聚节点定时进行CDMA数据发送的中断程序流程，如图7所示。
本文根据钢铁连铸设备MRO协作平台的需要，利用基于M2M的关键技术ZigBee的无线传感器网络和CDMA通信，构建了远程采集钢铁连铸设备数据系统，为钢铁连铸设备MRO协作平台提供了有效的数据源。以便钢铁连铸MRO协作平台自动、实时、准确、详细地获取设备的运作情况实现对设备故障的预测。
虽然该系统在生产现场得到了应用和验证，但是对M2M技术在钢铁连铸设备MRO协作平台的应用尚处于起步阶段，尤其是在使用环境比较恶劣，且连铸设备内部构造复杂的情况下，其工作的稳定性和可靠性还有待验证。只有通过大量的现场试验，才能进一步完善系统的软硬件设计，使系统更加稳定成熟，达到其要求。
参考文献
[1]FLOTTAU J. Overhauling MRO[J]. McGraw-Hill Companies，2005。
[2]王珏明，冯改玲，王漫等．基于M2M平台的无线传感网的研究[J]．计算机应用与软件，2006，23(7)：81-82，87．
[3]TI公司.SmartRF CC2430 peliminary (rev 1.01).2005.
[4]MAXIM公司.DS2762 Data Sheet.
[5]Any DATA．NET Inc．CDMA TeinaI DTu-800x reference manual[M]．2004．
