基于ZigBee的礦井巷道表面位移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

冀英超，程永強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

實(shí)際教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)煤礦機(jī)電類專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程時(shí)通常使用開發(fā)板進(jìn)行學(xué)習(xí)，不能與實(shí)際工程相結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)結(jié)合山西本地資源優(yōu)勢，以煤礦安全為背景，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的巷道表面位移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1-2]。采用無線射頻通信技術(shù)，通過分布在巷道中的通信分站將采集巷道表面位移數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)控制總站進(jìn)行處理，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測煤礦巷道安全參數(shù)的目的。

該系統(tǒng)涉及模擬電路處理、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、微機(jī)原理、射頻通信、嵌入式操作系統(tǒng)及本質(zhì)安全防爆等技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)使教學(xué)更具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性，不僅可以鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)基本的技能，促使理論知識(shí)的靈活應(yīng)用，而且還可以實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)際工程相結(jié)合，使學(xué)生在設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目時(shí)不但要思考具體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，還要仔細(xì)考慮具體工程的條件及需求[3]。

1 ZigBee技術(shù)及系統(tǒng)原理

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。物理層定義了868～868.6 MHz、902～928 MHz和2 400～2 483.5 MHz 3個(gè)載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率分別為20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)100 m，增加了發(fā)射功率增強(qiáng)芯片后可達(dá)幾千米，可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備與以太網(wǎng)、GPRS實(shí)現(xiàn)無縫連接，實(shí)現(xiàn)了低成本的實(shí)時(shí)監(jiān)控及無線組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的功能[4-5]。

1.2 系統(tǒng)原理

礦井巷道表面位移作為礦壓觀測的重要內(nèi)容之一，它綜合反映了應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及各種生產(chǎn)要素等因素耦合后對巷道圍巖的影響，也是巷道圍巖發(fā)生的最為直觀的形變，包括兩幫相對移近量和頂板下沉量。由于不同的地質(zhì)條件，巷道內(nèi)一般間隔30～50 m設(shè)置一個(gè)測量斷面，來設(shè)置測量基點(diǎn)。

基于ZigBee的礦井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)由控制總站和通信分站組成，通信分站分布于煤礦巷道中的測量斷面處，系統(tǒng)布局如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)布局示意圖

通信分站負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，通過“線型”無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制總站，總站對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及處理，并能夠通過數(shù)據(jù)分析對突發(fā)情況進(jìn)行應(yīng)急反應(yīng)，對發(fā)生異常情況的通信分站進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)配有友好的人機(jī)交互界面，可以實(shí)時(shí)查詢各個(gè)通信分站的歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對巷道安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

通信分站包括2個(gè)超聲波測距節(jié)點(diǎn)，分別測量左右?guī)鸵平亢晚敯逑鲁亮?，位于頂板處的測距節(jié)點(diǎn)作為本測量斷面的數(shù)據(jù)通信分站，用于不同測量斷面之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)負(fù)責(zé)頂板下沉量的數(shù)據(jù)采集。測量斷面示意圖如圖2所示。

圖2 測量斷面示意圖

當(dāng)某個(gè)斷面的通信分站(即位于頂板的測距節(jié)點(diǎn))收到數(shù)據(jù)采集命令后向位于幫上的測距節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)命令，位于幫上的測距節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完成后通過無線發(fā)送至本測量斷面的通信分站，通信分站收到數(shù)據(jù)后與自身采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)往下一個(gè)測量斷面處的通信分站。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制總站硬件設(shè)計(jì)

控制總站由主控制芯片模塊、通信模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊以及電源模塊等五部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制總站結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主控制芯片模塊

控制總站采用ST公司基于ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32F103VET6作為主控制芯片，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)鐘頻率為72 MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼、STM32功耗36 mW，是32位處理器市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz[6]。同時(shí)嵌入微型嵌入式系統(tǒng)μC/OS，結(jié)合ucGUI實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。

2.1.2 通信模塊

通信模塊包括以太網(wǎng)通信模塊和ZigBee射頻通信模塊?？刂瓶傉驹O(shè)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)接口，方便與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用ENC28J60芯片作為以太網(wǎng)控制器，與主控芯片之間接口采用SPI模式。

ZigBee通信模塊采用CC2530F256，該芯片具有適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，極高的接收靈敏度和抗干擾能力，支持低功耗模式，通過SPI接口與STM32主控芯片連接，實(shí)現(xiàn)主控芯片控制無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2.1.3 觸摸屏模塊

顯示屏采用127 mm(5.0英寸)帶觸摸功能的TFT液晶屏，驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1963，利用CPU的FSMC功能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過觸控可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的命令設(shè)置以及數(shù)據(jù)的查詢收發(fā)等功能。

2.1.4 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)芯片采用3片M25P64閃存芯片，每片容量為64 Mbit，可以對系統(tǒng)1年的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，滿足煤礦巷道數(shù)據(jù)容量要求。主控芯片利用SPI串行接口進(jìn)行高速讀寫，操作方便。

2.1.5 電源模塊

電源芯片采用TI公司的tps63001，具有1.8～5.5 V的寬輸入電壓范圍，高達(dá)96%的效率，1.2 A的輸出電流[7]滿足了控制總站的供電要求。

2.2 通信分站硬件設(shè)計(jì)

通信分站主控芯片采用TI公司的CC2530F256，除具有RF收發(fā)器外，還結(jié)合了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 CPU，內(nèi)部具有256 KB閃存(Flash)，具有豐富的外設(shè)[8]。通信分站結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 通信分站結(jié)構(gòu)框圖

超聲波測距傳感器采用KS103，探測距離為1～10 m，包含實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，探測精度達(dá)到±5 mm，使用IIC接口與主控芯片通信，通信速率為50～100 kbit/s；采用獨(dú)特的可調(diào)濾波降噪技術(shù)，電源電壓受干擾時(shí)仍可正常工作；采用納瓦技術(shù)省電，可自動(dòng)進(jìn)入μA級(jí)耗電休眠狀態(tài)，隨時(shí)可被主控芯片IIC控制指令喚醒。

為了保證巷道中信號(hào)的有效傳輸，需要保證理想的RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)，CC2530前端增加了功放芯片CC2591進(jìn)行功率放大，使發(fā)射功率增加到了20 dBm，即使在150 m也能保證理想的RSSI，滿足了系統(tǒng)的需求。

考慮到通信分站安裝的靈活性，通信分站采取19 Ah鋰電池供電，可以使系統(tǒng)正常工作1年左右，同時(shí)配有電池電量檢測功能，當(dāng)電量不足會(huì)發(fā)送提示信息，結(jié)合巷道要求通信分站生命周期為1年，滿足系統(tǒng)要求。穩(wěn)壓電源采用TI公司超低工作電流的3.3 V低紋波電源芯片tps60211，系統(tǒng)休眠時(shí)工作電流僅為2 μA[7]，系統(tǒng)喚醒后又可以正常工作，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制總站軟件設(shè)計(jì)

μC/OS是一種基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度的可移植性，特別適合于微處理器和控制器，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法進(jìn)行任務(wù)之間的切換[9]。STM32嵌入μC/OS微型操作系統(tǒng)，建立3個(gè)任務(wù)，分別是用戶界面任務(wù)、觸摸屏任務(wù)和時(shí)間任務(wù)。主程序框圖如圖5所示。

圖5 控制總站主程序框圖

用戶界面任務(wù)和觸摸屏任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)ucGUI控件的編寫以及底層響應(yīng)，用戶可以通過液晶屏實(shí)現(xiàn)通信分站的初始化、時(shí)間校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)查詢等功能，最主要的功能是實(shí)現(xiàn)與通信模塊的通信，實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收以及數(shù)據(jù)的上傳等功能；時(shí)間任務(wù)主要為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)時(shí)間，利用信號(hào)量和郵箱進(jìn)行任務(wù)間的通信及同步，實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的互相聯(lián)系和對臨界資源的訪問。

3.2 通信分站軟件設(shè)計(jì)

由于煤礦巷道的特殊性，通信分站呈線性分布，考慮到系統(tǒng)對功耗的要求，未采用TI提供的Z-Stack協(xié)議棧，而是采用了自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議。通信分站程序流程圖如圖6所示。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中以設(shè)備的ID為身份標(biāo)志，每個(gè)通信分站都有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址作為其身份ID，通信分站出廠時(shí)均為0x0000、控制總站為0x0001；使用控制總站為通信分站設(shè)置地址，按照距離控制總站的遠(yuǎn)近依次分配0x0002，0x0003，0x0004…直至最后一個(gè)通信分站。

分配完地址后各個(gè)通信分站處于等待時(shí)間同步命令狀態(tài)，通過控制總站發(fā)送時(shí)間同步命令，通信分站收到同步時(shí)間命令后進(jìn)行時(shí)間同步，同時(shí)將同步時(shí)間命令發(fā)向下一個(gè)通信分站，當(dāng)最后一個(gè)通信分站收到同步時(shí)間命令后進(jìn)行時(shí)間同步；然后采集數(shù)據(jù)發(fā)向上一個(gè)通信分站，上一個(gè)通信分站收到數(shù)據(jù)后將自己采集到的數(shù)據(jù)與收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包繼續(xù)發(fā)往上一個(gè)通信分站，以此類推直至發(fā)送至控制總站，各個(gè)通信分站數(shù)據(jù)發(fā)送成功后自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)喚醒時(shí)間到，各個(gè)通信分站處于接收同步時(shí)間狀態(tài)，重復(fù)上述通信過程。通信期間若有通信分站出現(xiàn)故障，可以自動(dòng)向故障分站的上一站發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免個(gè)別通信分站出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。

4 本質(zhì)安全

井下電子設(shè)備必須進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，本質(zhì)安全指電路在正常使用或出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量小于0.28 mJ(B級(jí)防爆)[8]。系統(tǒng)控制總站和通信分站的設(shè)計(jì)完全符合國標(biāo)GB3836.2—2010和GB3836.4—2010，電路和外殼均符合隔爆要求。

圖6 通信分站程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

基于此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，用木板模擬煤礦巷道模型，移動(dòng)木板間距表示巷道表面的位移，通過高精度激光測距儀進(jìn)行測量得到標(biāo)準(zhǔn)值，從控制總站得到通過無線發(fā)送回來的測量值。二者的比較見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)值與測量值比較表

從表1中可以看出：測量結(jié)果絕對誤差在±5 mm以內(nèi)，滿足了巷道表面位移測量精度的要求，且無線發(fā)送和接收穩(wěn)定可靠，達(dá)到了工業(yè)監(jiān)測的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)論

通過對基于ZigBee的礦井巷道表面位移監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和無線組網(wǎng)收發(fā)、掉電數(shù)據(jù)不丟失等功能，性能可靠。網(wǎng)絡(luò)框架滿足大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的使用，成本低廉，方便在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦業(yè)中的應(yīng)用提供了便利的開發(fā)平臺(tái)，達(dá)到了實(shí)踐教學(xué)的目的。此外，由于該系統(tǒng)可應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，因此還可以進(jìn)行頂板離層儀、瓦斯監(jiān)測儀、錨桿錨索應(yīng)力計(jì)等煤礦安全實(shí)際產(chǎn)品以及人員定位系統(tǒng)的開發(fā)。

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