面向采煤機械在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王大為+韓建強+薛晨陽+穆濟亮+王永華+張增星

摘 要： 隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來越普及，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可持續(xù)工作能力問題日益突出。對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗問題進行分析，并設(shè)計出一種面向采煤機械的基于MSP430微控芯片的低功耗在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)低功耗在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采集機械設(shè)備所處環(huán)境中的振動和溫度信息進行數(shù)據(jù)判斷，進行異常報警。經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示和功耗測試等方面都達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 低功耗系統(tǒng)； 無線傳感； 狀態(tài)監(jiān)測； 采煤機械

中圖分類號： TN915?34； X84 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0163?03

Design of online condition monitoring system for coal?mining machinery

WANG Dawei， HAN Jianqiang， XUE Chenyang， MU Jiliang， WANG Yonghua， ZHANG Zengxing

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： With the wide application popularization of the wireless sensor networks in people′s daily life， the sustainable work capacity issue of the sensor network node becomes increasingly prominent. The power consumption of the wireless sensor network node is analyzed. A low?power consumption online condition monitoring system based on MSP430 for coal?mining machinery was designed. The low?power consumption online condition monitoring system carries out data judgement according to the vibration and temperature information in the environment where the mechanical equipment is working， and gives an alarm for the abnormal condition. The system can satisfy the design requirements in the aspects of data transmission， data display and power consumption， which has been verified in the experiment.

Keywords： low power consumption system； wireless sensing； condition monitoring； coal?mining machinery

煤礦機械系統(tǒng)是一個集機械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)[1]，在其生產(chǎn)過程中，工作環(huán)境十分惡劣，易受到煤塵、水霧等其他方面的污染；同時在其運轉(zhuǎn)時易受到來自煤、巖石等的巨大沖擊力，從而導(dǎo)致煤礦機械出現(xiàn)軸承、液壓系統(tǒng)[2]及機械系統(tǒng)的故障，體現(xiàn)在異常的溫度和振動狀態(tài)變化，且旋轉(zhuǎn)部件損壞極易引發(fā)二次損傷和工傷事故等安全問題。因此，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)[3]，避免意外停機及惡性事故的發(fā)生，對于提高設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟性、利用率以及降低生產(chǎn)成本具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。旋轉(zhuǎn)類重型采煤機械具有旋轉(zhuǎn)、強振動等特點[4]，對能跟旋的在線狀態(tài)監(jiān)測微納系統(tǒng)提出更為苛刻的要求，有線電源和信息采集線路由于纏繞問題無法安裝，所以監(jiān)測系統(tǒng)需要采用獨立能源供給和無線數(shù)據(jù)收發(fā)技術(shù)[5?6]。通過對振動和溫度信號[7?8]的監(jiān)測、分析和處理，可以監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，識別機械設(shè)備的故障類型、故障來源，這些信息的監(jiān)測對于安全生產(chǎn)是至關(guān)重要的。本文設(shè)計的基于MSP430單片機的無線監(jiān)測系統(tǒng)[9]可以在超低功耗的狀態(tài)下實現(xiàn)對機械設(shè)備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測[10]，而且結(jié)構(gòu)簡單，可以利用狹小空間完成監(jiān)測任務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由兩大單元組成，一是數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點，另一個是監(jiān)測報警中心，如圖1所示，整個系統(tǒng)的工作流程如下：由溫度監(jiān)測傳感器和加速度監(jiān)測傳感器進行數(shù)據(jù)測量，然后將數(shù)據(jù)交由微控制中心（MCU）也就是MSP430單片機處理，MCU將數(shù)據(jù)打包傳至無線模塊，然后無線模塊通過ZigBee通信協(xié)議上傳至監(jiān)測報警中心；上位機接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，上位機能夠進行實時數(shù)據(jù)圖形顯示并具有閾值報警功能。

2 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點的控制硬件包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊及無線發(fā)射模塊，系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖如圖2所示。

2.1 電源電路設(shè)計

MSP430單片機的工作電壓一般為低電壓供電，電壓范圍是1.8～3.6 V。電源電路由兩部分構(gòu)成：振動能量采集單元，振動能量采集單元利用納米發(fā)電機將機械的振動能量轉(zhuǎn)化成電能為系統(tǒng)供電；ASM1117穩(wěn)壓單元，該單元能夠滿足硬件系統(tǒng)對供電電源的穩(wěn)壓、紋波小等要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采集電路包含兩部分數(shù)據(jù)的采集，一部分是溫度數(shù)據(jù)采集，另一部分是振動數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。溫度數(shù)據(jù)采集選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20通過DQ協(xié)議發(fā)送或接收信息，因此在微控制中心和DS18B20之間僅需一條連接線。一條控制指令指示DS18B20完成一次溫度測量，測量結(jié)果存放在暫存器中，用戶用一條讀取操作指令就可以將暫存器中的數(shù)據(jù)讀出，DS18B20以數(shù)字量的形式進行數(shù)據(jù)輸出，避免了A/D轉(zhuǎn)化，簡單方便，節(jié)約片上資源。振動數(shù)據(jù)采集選用ADXL345超低功耗三軸加速度數(shù)字傳感器，ADXL345通過I2C協(xié)議與微控制中心進行通信，該芯片的集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級FIFO緩沖器，在讀取數(shù)據(jù)過程中將主機處理器負荷降至最低，進而能降低整體功耗。

2.3 中央控制模塊

控制電路主要包括復(fù)位電路部分、晶振部分及微控制中心。復(fù)位電路部分采用上電自復(fù)位電路，根據(jù)MSP430芯片手冊設(shè)計為低電平復(fù)位。晶振部分分為兩套時鐘機制，一個16 MHz的有源晶振和一個32.768 kHz的石英晶振。中央控制模塊根據(jù)系統(tǒng)的能耗協(xié)調(diào)匹配算法，實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)功耗管理（Dynamic Power Management，DPM）。該功耗管理方法使系統(tǒng)循環(huán)進入活動模式和待機模式。系統(tǒng)活動模式消耗的電量約為40～50 mA，在待機模式下僅為10 μA左右，使系統(tǒng)各個模塊都運行在恰好滿足所需性能要求的功耗模式下，從而在不影響系統(tǒng)性能的前提下大幅降低系統(tǒng)平均功耗，如圖4所示。

2.4 無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射電路用來負責數(shù)據(jù)傳輸，即與上位機的通信，采用基于ZigBee協(xié)議的CC2530射頻單元，支持串口通信，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，廣泛應(yīng)用于低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)。MSP430通過串口向CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，包含接收到的溫度和三軸加速度值，然后CC2530將溫度和加速度的監(jiān)測值按照通信協(xié)議打包發(fā)送。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點程序設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點的程序設(shè)計部分是在基于C語言的IAR軟件平臺上完成編譯和調(diào)試。主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電之后，首先進行時鐘和射頻部分硬件初始化。然后是對傳感器進行初始化，建立微控中心和兩個傳感器之間的數(shù)據(jù)通道，開始數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至無線射頻模塊，接著進入循環(huán)。在循環(huán)中無線射頻模塊將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去，當循環(huán)結(jié)束后，系統(tǒng)進入低功耗模式，等待下次工作的開始。

3.2 監(jiān)測報警中心程序設(shè)計

上位機用戶界面的軟件設(shè)計基于LabVIEW開發(fā)平臺，用戶界面上能夠?qū)崟r地顯示監(jiān)測節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以曲線的形式進行數(shù)據(jù)顯示，當監(jiān)測數(shù)值超過設(shè)定的報警閾值時，報警燈由綠變紅進行報警。還可以進行其他操作，如查看數(shù)據(jù)庫保存的各時段監(jiān)測數(shù)據(jù)；對數(shù)據(jù)進行管理操作；查看生成報表。程序設(shè)計包括主界面、用戶登錄界面、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與警報等部分，程序主界面如圖6所示。

4 測試結(jié)果

4.1 功能測試

功能測試主要包括傳感器信號采集，MSP430和CC2530的串行通信，無線通信測試和上位機監(jiān)測。功能測試主要在上位機上進行顯示，即可直觀地得到結(jié)果。圖7為一個實測案例：將設(shè)計的數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點樣機放在一個小型振動臺上，進行溫度和加速度的數(shù)據(jù)采集，可以從上位機界面中直接觀察到振動臺的振動情況和環(huán)境實時溫度。

4.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點功耗測試

數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點功耗直接決定了系統(tǒng)性能，功耗大小直接影響著系統(tǒng)工作的可持續(xù)能力，為了確定下位機節(jié)點的功耗大小，進行了對整個節(jié)點和節(jié)點各個模塊的工作狀態(tài)下功耗測試實驗。測試結(jié)果如表1所示?？梢酝ㄟ^表中數(shù)據(jù)計算出在工作模式系統(tǒng)總功耗在171.039 mW以下，進而保證系統(tǒng)在完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸功能前提下達到超低功耗的設(shè)計目的。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的面向采煤機械在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)大型機械對在線監(jiān)測系統(tǒng)需要采用獨立能源供給和無線數(shù)據(jù)收發(fā)的要求，采用了一種動態(tài)功耗管理的方法進行數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，通信和數(shù)據(jù)傳輸采用的是基于ZigBee通信協(xié)議的無線傳輸方式，用戶可以通過監(jiān)測報警中心的用戶界面直觀地看出機械的運行狀況，并且當運行狀態(tài)出現(xiàn)偏差時，上位機可以立刻報警。經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示和功耗測試等方面都達到了設(shè)計要求。該研究成果對提升煤炭工業(yè)生產(chǎn)效率，降低煤礦機械安全事故率、提升煤礦重型機械裝備的智能化改造具有一定的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。本文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，在低功耗設(shè)計上該方案仍有進一步挖掘的潛力。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線通信技術(shù)的進一步發(fā)展，相信在不久的將來，更加智能環(huán)保的無線無源監(jiān)測節(jié)點將成為測試領(lǐng)域的主流。

參考文獻

[1] 徐小粵.采煤機械的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中州煤炭，2005（4）：15?16.

[2] 朱其武，王清香.基于WINDOWS的采煤機液壓CAT系統(tǒng)[J].液壓與氣動，2005（3）：8?9.

[3] 何泳，段志善.基于計算機控制的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（4）：53?55.

[4] 王大川，于利洋.滾筒采煤機的工作原理分析[J].科技資訊，2012，（7）：89?89.

[5] 湯寶平，黃慶卿，鄧蕾，等.機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進展[J].振動、測試與診斷，2014，34（1）：1?7.

[6] 周聰聰，涂春龍，高云，等.腕戴式低功耗無線心率監(jiān)測裝置的研制[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2015（4）：798?805.

[7] 魏明明，關(guān)詠梅，郭濤等.基于CC2530的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2015，23（6）：2233?2236.

[8] REHMAN A U， ABBASI A Z， ISLAM N， et al. A review of wireless sensors and networks' applications in agriculture [J]. Computer standards & interfaces， 2014， 36（2）： 263?270.

[9] 胡敦利，李亮，高楊，等.基于MSP430的空氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].高技術(shù)通訊，2015，25（3）：279?285.

[10] 曹小佳.面向機械振動監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步研究[D].重慶大學(xué)，2010.