基于ZigBee的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟 軍

(陽煤集團(tuán)華創(chuàng)自動(dòng)化工程有限公司)

基于ZigBee的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟 軍

(陽煤集團(tuán)華創(chuàng)自動(dòng)化工程有限公司)

針對(duì)目前煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)存在的高成本、高維護(hù)難度和高布線復(fù)雜度等缺點(diǎn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)煤礦主通風(fēng)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測主通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并可通過上位機(jī)組態(tài)軟件顯示主通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)以及變化曲線，同時(shí)可自動(dòng)預(yù)警和生成各種報(bào)表，為煤礦的安全生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

ZigBee 通風(fēng)機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng)

目前煤礦的通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般都采用傳感器等終端設(shè)備采集通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，并通過有線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄卤O(jiān)控站，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛?。然而由于井下布線難度大，設(shè)備和線路經(jīng)常拆換[1]，因此，有線傳輸方式存在很多弊端,易出現(xiàn)延遲、誤報(bào)等現(xiàn)象，通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行將直接影響到煤礦安全穩(wěn)定生產(chǎn)[2]。以往的無線通信方式所存在的問題導(dǎo)致無線監(jiān)控系統(tǒng)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用比較少[3]。

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過分布在各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上的傳感器實(shí)時(shí)采集相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)，數(shù)據(jù)經(jīng)終端節(jié)點(diǎn)預(yù)處理后通過無線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再將信息通過串口發(fā)送給監(jiān)控主站。該系統(tǒng)具有低功耗、高穩(wěn)定性、強(qiáng)擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，可成功規(guī)避有線系統(tǒng)的一些弊端。

1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由用戶終端、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和傳感器等部分組成[4]。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)連接有各種傳感器，分布在通風(fēng)機(jī)的各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)則獲取各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)之間也可以相互通信，從而大大延長了系統(tǒng)的有效通信距離。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則通過串口與上位機(jī)即性實(shí)時(shí)通信，上傳實(shí)時(shí)監(jiān)測信息和接收實(shí)時(shí)控制命令；最后上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示等工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用基本相同的硬件設(shè)計(jì)，但又根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)功能的區(qū)別對(duì)各自部分作出調(diào)整，同時(shí)通過改變主控芯片CC2530程序從而實(shí)現(xiàn)不同的節(jié)點(diǎn)功能[5]。硬件系統(tǒng)主要由CC2530微處理器、串口輸出模塊、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、調(diào)試模塊、射頻模塊和傳感器模塊等組成[6]。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。節(jié)點(diǎn)的主控芯片采用德州儀器公司的CC2530芯片，其內(nèi)置增強(qiáng)型8051內(nèi)核與RF無線收發(fā)器相結(jié)合，可在保證系統(tǒng)低功耗的情況下同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)的傳輸能力[7]。若外加CC2591射頻功率放大電路與高增益天線，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍可達(dá)到450 m。

圖1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)中是唯一的，負(fù)責(zé)整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建與運(yùn)行，需要的能量較大，加上其與監(jiān)控主站相連，因此，為滿足其能量的要求，本系統(tǒng)采用有線方式供電。供電模塊采用5 V電源，并通過電源轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的3.3 V電壓，電源轉(zhuǎn)換模塊的核心IC采用穩(wěn)定性很好的AMS1117穩(wěn)壓芯片。

當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)成功組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)后，便會(huì)與各個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信：通過上位機(jī)的串口接收用戶終端發(fā)送的命令，同時(shí)監(jiān)聽來自于網(wǎng)絡(luò)的反饋型消息，并上傳到用戶終端。因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)相比，增加了串口模塊，采用MAX3232作為RS232串口芯片。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均以低功耗和高穩(wěn)定性為準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，因此2節(jié)5#干電池提供的能量足以滿足其工作需求。由圖2可知，除包含各個(gè)節(jié)點(diǎn)所擁有的共同部分以外，終端節(jié)點(diǎn)主要增加了傳感器模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)和各種傳感器之間的無縫連接。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

綜合考慮具體的監(jiān)測要求、通風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境、測量精度等因素，本系統(tǒng)采用溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器和振動(dòng)傳感器等。

該系統(tǒng)中，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)采用相同的配置，但其不具有傳感器模塊，由此不僅縮短了研發(fā)周期，并且進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的煤礦主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)路主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。其中，路由節(jié)點(diǎn)在子網(wǎng)中充當(dāng)著協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色，管理網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)它的網(wǎng)絡(luò)層會(huì)多出一個(gè)路由功能，即為通過其轉(zhuǎn)換和發(fā)送的數(shù)據(jù)流尋找一條最為合適的路徑。文中軟件設(shè)計(jì)時(shí)移植了Z-Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧提供完整路由協(xié)議，并在應(yīng)用層是透明的，只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)議棧，即會(huì)自動(dòng)尋找路徑，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址，因此，本設(shè)計(jì)程序開發(fā)的主要任務(wù)是在Z-Stack協(xié)議棧基礎(chǔ)上，完成對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)掃描并選擇一個(gè)最合適的信道建立一個(gè)初始網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有新的設(shè)備申請加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則會(huì)分配一個(gè)16位的短地址，允許其加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)開始接收從終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并且通過USB接口將其上傳到上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作流程見圖3。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是以ZigBee協(xié)議的方式將采集到的電機(jī)軸承溫度、電動(dòng)機(jī)三相電流和三相電壓、通風(fēng)機(jī)風(fēng)量及軸承振動(dòng)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)完成對(duì)傳感器和協(xié)議棧的初始化后，即開始掃描信道，尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信息，當(dāng)?shù)玫酱_認(rèn)的答復(fù)后，即進(jìn)入休眠模式以節(jié)約能量，當(dāng)定時(shí)器收到喚醒指令后，則開始通過節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集相應(yīng)的參數(shù)信息，并將其上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程見圖4。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程

4 結(jié) 語

利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表打印。山西某礦的應(yīng)用實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化的特點(diǎn)，能保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高了煤礦生產(chǎn)的安全保障能力。

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2015-04-21)

孟 軍 (1987—)，男，助理工程師，045000 山西省陽泉市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)北海路三亞街1號(hào)。