基于單片機(jī)及射頻器的振動數(shù)據(jù)的無線傳輸

耿翔宇+何正紅+姬廣振+蔣一博+黃碧豪+郝雪弟

摘 要：井下設(shè)備部件受損，振動信號便會發(fā)生變化。設(shè)備會有不同的受損情況，這就需要通過設(shè)備振動信號的變化情況來進(jìn)行判斷，對于已經(jīng)受損的部件和部件具體的損壞情況進(jìn)行識別。如果我們能以無線傳輸?shù)男问阶屗贾玫膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和上位機(jī)進(jìn)行通信，來組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這會顯著提高振動信號采集的效率。我們應(yīng)用單片機(jī)，，振動數(shù)據(jù)傳感器，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器組成一個小型的WiFi傳輸鏈，實(shí)現(xiàn)了振動數(shù)據(jù)的無線傳輸，方便第一時間知道井下設(shè)備受損的情況。

關(guān)鍵詞：振動數(shù)據(jù)；無線傳輸；STC89C52RC單片機(jī)；NRF905；振動數(shù)據(jù)傳感器

1 緒論

在煤炭生產(chǎn)中，通過監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對這些參數(shù)進(jìn)行分析，能夠可以發(fā)現(xiàn)哪些特征參數(shù)便發(fā)生了變化，從而判斷出設(shè)備是否出現(xiàn)故障。要保證煤礦井下的安全生產(chǎn)，就無法離開對井下設(shè)備的監(jiān)控，怎樣能實(shí)時有效地獲知井下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對井下的生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用，而其中振動數(shù)據(jù)的獲取尤其重要。

2 Wifi無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

現(xiàn)階段，針對井下設(shè)備的振動數(shù)據(jù)采集分析希望能夠通過無線方式來實(shí)現(xiàn)，而振動信號無線傳輸技術(shù)仍不夠成熟，井下布局又十分復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的無線傳輸，需要在已有短距離無線傳輸方式Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、超寬帶中進(jìn)行對比分析，找出較為適合的無線通訊方式，并對其展開全面探究與分析。

我們的選擇：相比較地面來說，井下空間不足，存在眾多障礙，會影響傳輸信號的真實(shí)性。ZigBee的傳輸?shù)拇δ芰μ酰@明顯不適合于井下的傳輸。藍(lán)牙的傳輸熟慮不是很快，并且它的應(yīng)用成本偏高，對于井下這個需要大規(guī)模傳輸數(shù)據(jù)的地方來說顯然不適合。Wifi傳輸速率快，傳輸范圍相對比較大，在井下組建wifi網(wǎng)絡(luò)，類似局域網(wǎng)之類的，可以很方便的傳輸數(shù)據(jù)。因此wifi更適合作為井下的無線傳輸方法。

3 無線傳輸?shù)挠布O(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)選型

STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

3.2 硬件的連接

先是由振動傳感器產(chǎn)生振動信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器，接著是單片機(jī)再到nRF905發(fā)送端，再由nRF905接收端接受，然后到單片機(jī)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器最后傳輸?shù)诫娔X上。

4 無線傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)

nRF905 發(fā)送數(shù)據(jù)的流程介紹：

（1）當(dāng)單片機(jī)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時， 通過SPI 接口， 按時序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905， SPI 接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定；

（2） 通過單片機(jī)置高TRX_CE 和TX_EN， 激發(fā)nRF905 的射頻發(fā)送（ShockBurstTM）模式；

（3）若單片機(jī)置AUTO_RETRAN 寄存器為高， 表示需要重發(fā)數(shù)據(jù)， nRF905 不斷重發(fā)， 直到單片機(jī)將TRX_CE 置低；

（4）當(dāng)TRX_CE 被置低， nRF905 發(fā)送過程完成， 自動進(jìn)入空閑模式。

nRF905 接收數(shù)據(jù)的流程介紹：

當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時，nRF905進(jìn)入接收模式：

（1）650μs后，nRF905開始監(jiān)聽無線電信號；

（2）當(dāng)nRF905檢測接收頻率的載波時，CD變?yōu)楦唠娖?；?dāng)接收到一個有效的地址，AM變?yōu)楦唠娖剑?/p>

（3）當(dāng)被接收的數(shù)據(jù)包CRC校驗(yàn)正確，nRF905將除去報頭，地址及CRC比特，同時使DR變?yōu)楦唠娖剑?/p>

（4）微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式；微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；

（5）當(dāng)所有的負(fù)載數(shù)據(jù)傳出后，nRF905再次將設(shè)定AM和DR為低電平；

5 結(jié)論

本課題采用WiFi技術(shù)作為一種無線傳輸技術(shù)，它接收無線電信號可以達(dá)到數(shù)百英尺。它有一個最大優(yōu)點(diǎn)，那就是傳輸速度很高，而且如果出現(xiàn)信號較弱或者有干擾，它的帶寬是可以進(jìn)行調(diào)整的，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性可以得到比較有效地保障。另外，它有較長的傳輸有效距離，而且如果是在開放性區(qū)域，其通信距離可以達(dá)到305m，如果是在封閉性區(qū)域，其通信的距離為76m-122m，若想要增加其傳輸距離，還可以加入功率放大電路。但WiFi技術(shù)的價格偏高、抗干擾不強(qiáng)、功耗量較大?？紤]礦井下現(xiàn)場情況考慮到礦井下現(xiàn)場情況和機(jī)械振動檢測系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，若解決供電問題，選擇無線WiFi作為井下系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)傳輸方式更加有優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 宏晶科技.JASK1000+開發(fā)板原理圖+系列單片機(jī)器件手冊[DB/OL].