基于ZigBee的礦用鋼絲繩探傷傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)研究

任明月　孟國營

【摘 要】目前礦用鋼絲繩探傷傳感器大都采用有線的方式傳輸信號，這種方法布線復雜，費時費力。針對這種問題，本文設計了一種基于ZigBee的礦用鋼絲繩無線探傷傳感器。研究礦用鋼絲繩探傷傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸，將傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊進行無線傳輸，并最終在上位機進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的終端顯示、分析、存儲，實現(xiàn)對鋼絲繩在線的損傷定量檢測。

【關(guān)鍵詞】鋼絲繩；ZigBee；無線；損傷檢測

Research on Data Acquisition and Transmission Technology of Mine Wire Rope Detection Sensor Based on ZigBee

REN Ming-Yue MENG Guo-ying

（China University of Mining & Technology〈Beijing〉，Beijing 100083，China）

【Abstract】At present，most of the mining wire rope detection sensors use wired way to transmit signals.In order to solve this problem，this paper designs a kind of wireless detection sensor for mine wire rope based on ZigBee.Study on the wire rope detection sensor data acquisition and transmission，monitoring data will be collected by the sensor for wireless transmission through the ZigBee module，and finally to the terminal monitoring data display，analysis， storage in PC，to realize the damage of wire rope online quantitative detection.

【Key words】Wire rope；ZigBee；Wireless；Damage detection

0 前言

礦井提升設備負責完成礦井運輸煤炭和矸石、投放設備、搭載人員等工作。鋼絲繩作為提升系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在我國煤炭行業(yè)中得到廣泛應用。由于鋼絲繩長期在復雜環(huán)境中長時間連續(xù)高負荷運轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生各種類型的缺陷或損傷，進一步發(fā)展將導致事故的發(fā)生[1]，因此開展鋼絲繩損傷檢測的理論與技術(shù)研究勢在必行。目前使用的鋼絲繩探傷傳感器大都采用有線傳輸方式，這種方式布線復雜，過多的線路對檢測過程存在干擾，長距離的傳感器接線電阻過大導致傳輸距離受限。

無線傳感器網(wǎng)絡是當今國際上備受關(guān)注的熱門研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代化網(wǎng)絡和分布式信息處理等技術(shù)，可以通過多種集成化的微傳感器完成對監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信號的實時監(jiān)測、采集與感知。這些信號通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端。在多種無線通信方式中，ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低復雜度、低傳輸速率的雙向無線通信技術(shù)，適用于短距離的無線通信，并能嵌入到各種通信設備中去[2]。所以本文設計采用ZigBee技術(shù)對礦用鋼絲繩探傷傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無線傳輸。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文以ZigBee網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，設計了鋼絲繩無線探傷傳感器網(wǎng)絡，它由上位機、協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)采集器和鋼絲繩探傷傳感器組成。鋼絲繩探傷傳感器主要是采集監(jiān)測信號，將采集的信號傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器通過串口送到上位機上進行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 系統(tǒng)主要硬件

2.1 數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊設計

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊由CC2530中央處理部分、CC2591單元、數(shù)據(jù)采集模塊、外部數(shù)據(jù)存儲模塊、電源部分和LED等組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是負責采集數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

該模塊的中央處理器采用的是TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，它集微處理器和無線收發(fā)模塊為一體，其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051MCU內(nèi)核、8KB RAM 和256KB Flash ROM。CC2530的應用較為簡單，只需要外接少數(shù)的電路即可實現(xiàn)。因為CC2530自身帶有射頻功能，通常對于小功率網(wǎng)絡節(jié)點的設計不需要外加額外的射頻芯片，所以CC2530外加一些簡單電路即可實現(xiàn)射頻功能。

2.2 傳感器模塊設計

目前，在基于漏磁檢測方法的鋼絲繩損傷檢測設備中，通常采用霍爾元件作為檢測元件。采用霍爾元件的檢測傳感器最大優(yōu)點是體積較小，有利于對小間隙空間磁場進行測量，且輸出信號與檢測速度無關(guān)，因而被廣泛應用。

本文采用霍爾元件對鋼絲繩進行探傷檢測，其檢測原理屬于漏磁檢測法?；魻栐胖迷阡摻z繩周向表面附近，可感應鋼絲繩缺陷漏磁場軸向或徑向分量，并將漏磁信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。其原理是在霍爾元件兩側(cè)通一控制電流I，被檢鋼絲繩經(jīng)磁化后，在缺陷處會產(chǎn)生漏磁場B，該磁場作用在霍爾元件上時會產(chǎn)生霍爾電勢VH。

VH=KHIBcos？茲（1）

式（1）中KH為霍爾元件的靈敏度系數(shù)，I為輸入的控制電流，？茲為磁感應強度B與霍爾元件平面法向量之間的夾角。其中穿過霍爾元件的磁場B主要由兩部分組成，一部分是被檢鋼絲繩段無缺陷存在時其表面的漏磁場B1，當鋼絲繩被磁化后，該漏磁場是不能避免存在的，B1主要由兩磁極間的空氣耦合磁場和鋼絲繩繩股結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的股波、絲波漏磁場構(gòu)組成；另一部分為被檢鋼絲繩存在缺陷時，缺陷附近產(chǎn)生的附加漏磁場B2，該磁場與鋼絲繩缺陷的寬度、缺陷在繩股中的位置、以及霍爾元件與缺陷之間的相對距離等因素有關(guān)。實際應用中，在勵磁裝置和鋼絲繩型號一定時，B1為常量，其產(chǎn)生的霍爾電勢可以通過系統(tǒng)調(diào)零去掉，傳感器輸出的霍爾電勢大小及其變化主要是由B2決定，因此由霍爾電勢便可測得鋼絲繩缺陷處的漏磁場，根據(jù)該漏磁場判斷鋼絲繩的缺陷狀況[1]。

2.3 其他模塊設計

硬件系統(tǒng)中添加CC2591射頻芯片，能夠提高輸出功率和改善接收機的增益，且大大簡化了射頻電路的設計；外部數(shù)據(jù)存儲單元主要用來存儲終端傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)；LED單元是用來顯示節(jié)點是否加入或退出網(wǎng)絡；為降低功耗，該節(jié)點中的電源通常采用兩節(jié)電池實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee開發(fā)環(huán)境

IAR Embedded Workbench（簡稱EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具。對于不同的微處理器，EW能夠提供同樣直觀的用戶界面。EW包括嵌入式的C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、編輯器、庫管理員、連接定位器、C-SPY調(diào)試器及項目管理器。其編譯器生成的代碼緊湊、優(yōu)化，能夠節(jié)省硬件資源，降低產(chǎn)品成本，從而提高產(chǎn)品的競爭力[4]。

3.2 ZigBee協(xié)議棧工作流程

Z-Stack的工作流程：系統(tǒng)的初始化，為OS（實時操作系統(tǒng)）的運行做好準備，其主要包括初始化系統(tǒng)時鐘、與配置系統(tǒng)的定時器、檢測芯片的工作電壓、以及芯片的各個硬件模塊等；當系統(tǒng)的初始化完成后，開始運行操作系統(tǒng)的入口程序，然后將控制權(quán)完全交給操作系統(tǒng)，執(zhí)行操作系統(tǒng)，進入任務循環(huán)，比較任務的優(yōu)先級，最后調(diào)用相應的事件處理函數(shù)來處理該任務的事件[5]。

3.3 ZigBee協(xié)議棧實時操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是Z-Stack協(xié)議棧需要依存的運行環(huán)境，Z-Stack的main函數(shù)總共做了兩項工作：一項是系統(tǒng)的初始化，即啟動代碼對硬件系統(tǒng)及軟件架構(gòu)所需的各個模塊進行初始化；另一項是開始執(zhí)行OS實體，就是進入OSAL任務的主循環(huán)，比較任務的優(yōu)先級，調(diào)用相應的事件處理函數(shù)，完成相應的操作。

Z-Stack協(xié)議棧是對ZigBee的具體實現(xiàn)，在基于Z-Stack協(xié)議棧的應用開發(fā)中，用戶只用實現(xiàn)應用程序框架即可。Z-Stack中使用了操作系統(tǒng)的概念，程序中為OSAL層。OSAL層與Z-Stack是互相獨立的，但是整個Z-Stack要基于OS才能運行。OSAL能夠?qū)崿F(xiàn)一個易于使用的操作系統(tǒng)平臺，它可通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)來完成多任務的調(diào)配，從而提供多任務的處理機制[6]。

4 結(jié)語

本文設計了一種基于ZigBee的礦用鋼絲繩探傷傳感器數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)。因CC2530結(jié)合了射頻模塊和高性能8051單片機，且適用于功耗解決方案，所以節(jié)點以CC2530為核心，采用IAR工具進行Zigbee協(xié)議棧的設計，用C語言進行編程。并基于CC2530主芯片及CC2591射頻芯片對ZigBee節(jié)點進行了硬件設計。形成一個可以實現(xiàn)鋼絲繩損傷實時監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡。

【參考文獻】

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[5]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530和ZigBee協(xié)議棧設計無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應用.2011，20（7）.pp.184-187

[6]李洪波， 李國良， 譚?？?，等.基于ARM和ZigBee模塊的電度表采集器設計[J].興義民族師范學院學報，2014（6）：97-100.

[責任編輯：田吉捷]