基于CC2530煤礦液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)研究

王青青

摘要：針對目前煤礦工作面液壓支架壓力監(jiān)測方面的需求， 設計了一套基于CC2530的煤礦井下液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用CC2530為核心的ZigBee為無線通信方式，結(jié)合煤礦的具體應用環(huán)境，確定了系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件流程設計，并通過實驗證實系統(tǒng)的實用性。

關(guān)鍵詞：液壓支架；監(jiān)測系統(tǒng)；CC2530

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）27-0249-02

目前我國能源生產(chǎn)中，煤炭每年的總消耗量再能源的消費總量構(gòu)成中，還是占據(jù)主導地位，每年的煤炭消耗總量成直線增加。隨著煤礦開采的需求不斷提高，煤礦的開采高度不斷增大，自然對液壓支架的支護要求也隨之提高，液壓支架方面的投資與日俱增，如果對液壓支架的選型與設計[1]具有盲目性，那么礦井實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)就會產(chǎn)生很重大的問題。礦井液壓支架是綜合機械化采煤的重要綜采設備[2]。礦井液壓支架壓力監(jiān)測就是關(guān)乎安全生產(chǎn)的一個重要方面，針對當前煤礦井下普遍存在的基于CAN總線的壓力監(jiān)測系統(tǒng)，本文提出一種基于CC2530、利用短距離無線通信ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)的煤礦液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)。

1 ZigBee 技術(shù)介紹

現(xiàn)階段比較常用的短距離無線網(wǎng)絡技術(shù)分別是 Wi-Fi （IEEE802.11）、藍牙 （Bluetooth）、 IrDA、ZigBee 等技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是一 種短距離、低復雜度、低能耗、低數(shù)據(jù)傳輸率和低成本的雙向無線通信技術(shù)，其特點主要有以下幾點：

1） 低成本：協(xié)議簡單，數(shù)據(jù)傳輸速率低，從而降低了成本；

2） 功耗低：一定的等待期后，自動進入休眠模式；

3） 網(wǎng)絡容量大：最多可容納65000個設備；

4） 毫秒級時延相應：休眠激活時延、搜索設備時延、活動設備信道接入時延都是毫秒級；

5） 自組織型網(wǎng)絡：可靠，網(wǎng)絡自愈能力強；

6） 數(shù)據(jù)安全：ZigBee采用安全度極高的文本加密算法，保證網(wǎng)絡通信過程中數(shù)據(jù)安全；

7） 工作在免費頻段：頻段靈活，使用自由。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的機構(gòu)設計如圖1所示： 每個液壓支架安裝一個壓力傳感器采集節(jié)點，該節(jié)點采用電池供電。每個壓力傳感器采集節(jié)點帶有3路壓力傳感器，分別采集支架前柱壓力、后柱壓力和前伸梁的壓力值。系統(tǒng)的工作流程是，首先壓力傳感器節(jié)點負責壓力采集，并定時進行壓力數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，路由節(jié)點負責接收采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收到的壓力值進行一定程度的數(shù)據(jù)融合，融合后通過多跳的方式發(fā)送給Sink節(jié)點，Sink節(jié)點完成與井上監(jiān)控中心的信息傳遞。為了更好地提高系統(tǒng)的可靠性，保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設定壓力超限或者連續(xù)兩次壓力采集值變化超限時，壓力傳感器采集節(jié)點進行燈光報警，方便井上監(jiān)控中心及時在上位機監(jiān)控軟件中監(jiān)測到。

2.1 硬件模塊設計

CC2530是用于2.4G射頻體系、符合ZigBee短距離無線通信標準的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，能夠組建成本低，網(wǎng)絡容量大，網(wǎng)絡自愈能力強的無線傳感網(wǎng)絡。CC2530擁有領(lǐng)先的RF收發(fā)器優(yōu)良性能，一個符合工業(yè)標準的增強8051內(nèi)核MCU，具有不同的運行模式，滿足低功耗系統(tǒng)的要求，CC2530工作在2.4GHz，該頻段是開放頻段，可以自由使用。CC2530 硬件平臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

順利地進行壓力采集，終端節(jié)點中要加入壓力傳感器硬件結(jié)構(gòu)，同時需要在終端節(jié)點中加入相應的傳感器驅(qū)動程序，并在Z-Stack協(xié)議棧的應用層中對程序進行的修改，在協(xié)議棧中添加對液壓支架壓力采集數(shù)據(jù)的讀取程序。這樣才能正常通過壓力傳感器節(jié)點采集到液壓支架的壓力值，采集到壓力信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到路由節(jié)點，再通過路由節(jié)點發(fā)送到Sink節(jié)點，終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器能夠準確無誤地控制終端節(jié)點[3]。

2.2 軟件流程設計

系統(tǒng)選用幾種短距離通信中比較低功耗的ZigBee技術(shù)，軟件是美國德州儀器公司開發(fā)Z-Stack 協(xié)議棧。該協(xié)議棧的物理層、媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4——國際電信聯(lián)盟所制定的標準，第三層網(wǎng)絡層和上層應用層遵循的標準是是ZigBee聯(lián)盟制定的，對于具體的應用場景，用戶根據(jù)自己的系統(tǒng)功能，對應用層做出相應的定義[4]。本系統(tǒng)軟件設計主要是：節(jié)點開始啟動時協(xié)議棧啟動流程、終端節(jié)點申請入網(wǎng)流程以及節(jié)點間的綁定的軟件流程。

1） 協(xié)議棧啟動：當設備上電啟動時，首先必須要進行初始化，關(guān)閉所有中斷，進行時鐘的初始化，監(jiān)測芯片電壓，初始化堆棧，初始化硬件模塊、硬件的監(jiān)測、初始化非易失存儲量，初始化應用層，初始化操作系統(tǒng)，初始化完成后，打開所有中斷，進入任務輪詢狀態(tài)，輪詢要執(zhí)行的任務。具體啟動過程如圖3所示。

2） 節(jié)點入網(wǎng)：協(xié)調(diào)器首先啟動并完成初始化，掃描周圍可用信道選擇一個可用的信道，配置好自己網(wǎng)絡 ID，等待節(jié)點的加入。節(jié)點啟動時，首先啟動協(xié)議棧，進行堆棧、數(shù)據(jù)鏈路、應用層的各種初始化，然后根據(jù)預先配置好的網(wǎng)絡 ID，搜尋網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器在等待節(jié)點加入的過程中，不斷掃描信道，不斷對入網(wǎng)請求進行偵聽，看看有沒有與自己網(wǎng)絡 ID 匹配的入網(wǎng)請求，并對相應的請求做出判斷，如果有與自己網(wǎng)絡ID相匹配的請求，則允許節(jié)點加入網(wǎng)絡，為節(jié)點分配短地址。而節(jié)點入網(wǎng)流程如圖4 所示。

3） 節(jié)點間的綁定： 節(jié)點成功加入網(wǎng)絡以后，還需要進行節(jié)點間的綁定，實質(zhì)上是節(jié)點與協(xié)調(diào)器在應用層上的一個邏輯上的鏈接，協(xié)調(diào)器會首先啟動綁定計時器，等待節(jié)點發(fā)送綁定請求，一旦收到綁定請求，就做出回復，節(jié)點收到回復后再發(fā)送一個綁定響應，協(xié)調(diào)器再進行響應，這樣通過三次請求、響應，完成綁定。綁定完成后協(xié)調(diào)器夠收到節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，節(jié)點能收到協(xié)調(diào)器的控制指令。節(jié)點綁定的流程如圖5 所示。

3 實驗結(jié)果

最后，我們將系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)和標準液壓壓力計測得的數(shù)據(jù)進行對比分析。隨機選擇3個壓力傳感器采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，可以看到如表1所示。該采集到數(shù)據(jù)與標準液壓壓力計測得的數(shù)據(jù)吻合性很高。

4 結(jié)束語

基于CC2530的煤礦液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)，采用ZigBee無線通信技術(shù)，應用于煤礦井下液壓支架壓力的測量，通過路由節(jié)點、Sink節(jié)點能準確地將信息傳遞到井上上位機監(jiān)控端，并能及時在壓力異常時進行報警，采用ZigBee無線通信技術(shù)，無需布線，安裝簡單、易行，實時性強、成本低廉、具有測量準確、易于擴展的特點。

參考文獻：

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[2] 錢鳴高.從圍巖移動的力學關(guān)系論采場支架基本參數(shù)的決定[J].煤炭科學技術(shù)，1978（11）.

[3] 深圳市威百仕集成電路有限公司[M]. VIC-SP3SK2用戶手冊， 2006.

[4] 樂強. WiMAX Mesh 網(wǎng)絡技術(shù)分析[J].信息安全與通信保密， 2012（8）.endprint