基于XBee3的礦用本安型低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黃鶴松，王家豪，戴傳浩，田成金，王 朕

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266590；2.青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司，山東 青島266000；3.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013；4.煤炭科學(xué)研究總院智能控制技術(shù)研究分院，北京100013）

煤炭作為我國能源系統(tǒng)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在未來能源格局中仍將是我國的主體能源[1]。目前國內(nèi)相當(dāng)一部分煤礦是井工煤礦，煤礦井下設(shè)備繁多，開采環(huán)境封閉，自動(dòng)化程度較低[2]。2016年國家發(fā)改委和國家能源局頒布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》，明確了我國要在2030年前實(shí)現(xiàn)煤炭無害化開采技術(shù)創(chuàng)新，提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平[3]。

為了提高煤礦井下智能化開采水平，防范煤礦安全事故頻發(fā)，需要在有限的工作空間內(nèi)安裝種類繁多的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊，各類傳感器所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包為系統(tǒng)控制、運(yùn)營決策、大數(shù)據(jù)分析等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息[4]。傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布線較繁瑣，線路易老化，抗干擾能力差；無線通信模塊掛載的節(jié)點(diǎn)容量小，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較長(zhǎng)，無法滿足智慧煤礦的建設(shè)要求[5-6]。因此需要在煤礦井下建立實(shí)用性強(qiáng)、靈活性好、功耗低的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為煤礦智能化開采提供必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

無線傳感器技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，而ZigBee技術(shù)作為介于藍(lán)牙和無線標(biāo)記技術(shù)之間的雙向無線通訊技術(shù)，具有低功耗、自組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)多、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域[7]。為此，應(yīng)用Digi XBee3無線射頻模塊（XBee3模塊）作為ZigBee智能網(wǎng)絡(luò)的通信核心，充分利用XBee3模塊較之傳統(tǒng)藍(lán)牙Mesh、Lora具有更低功耗、更遠(yuǎn)傳輸距離的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款礦用本安型低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)煤礦井下傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線采集、傳輸、分析等功能，實(shí)現(xiàn)煤礦井下各類傳感器數(shù)據(jù)的共享交換。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

為了保障煤礦井下傳感器數(shù)據(jù)采集的可靠性、實(shí)時(shí)性和安全性，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用無線通信和有線通信相結(jié)合的方式，無線通信使用ZigBee簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，有線通信使用以太網(wǎng)通信[8]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由XBee終端設(shè)備、XBee路由器和XBee協(xié)調(diào)器組成。系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram

在環(huán)境復(fù)雜、布線困難的綜采工作面使用Zig－Bee無線組網(wǎng)方式對(duì)煤礦井下布置的接近傳感器、壓力傳感器等各類傳感器所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和無線傳輸?？紤]到協(xié)調(diào)器的帶載能力有限，系統(tǒng)每20臺(tái)終端設(shè)備設(shè)置1臺(tái)路由器，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枨?，協(xié)調(diào)器將無線模塊接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議篩除無效數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在本地內(nèi)存卡，并通過以太網(wǎng)通信將協(xié)調(diào)器設(shè)備接入到已經(jīng)布置在工作面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分站，最終將數(shù)據(jù)包上傳至云端互聯(lián)網(wǎng)。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分站或井上監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)查看煤礦井下各類傳感器的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠極大地提升系統(tǒng)的通用性、兼容性和可移植性，便于接入更多的傳感器或拓展系統(tǒng)的其他功能。

2 硬件平臺(tái)

系統(tǒng)所設(shè)計(jì)終端設(shè)備以XBee3模塊作為主控單元，使用本安型磷酸鐵鋰蓄電池組供電，電源保護(hù)電路具有過載、過流、過壓等保護(hù)功能。協(xié)調(diào)器以低功耗單片機(jī)STM32L431RCT6為主控核心，完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和實(shí)時(shí)交互。路由器與協(xié)調(diào)器的硬件電路設(shè)計(jì)相同，僅需配置XBee3模塊的參數(shù)即可設(shè)置其工作模式，從而搭配終端設(shè)備一齊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集及傳輸。設(shè)備使用外部12 V不間斷本安型電源供電。

2.1 終端設(shè)備的硬件

終端設(shè)備的主要功能是對(duì)煤礦井下布置的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終將數(shù)據(jù)打包并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由或者直接傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器[9]。終端設(shè)備電路原理圖如圖2。

終端設(shè)備采用Digi公司開發(fā)的XBee3模塊作為主控核心，XBee3模塊工作電壓為2.1～3.6 V，降低了設(shè)備整體功耗。模塊還帶有4路電壓模擬量輸入，使用128位AES（Advanced Encryption Standard，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）加密技術(shù)來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全，具有4級(jí)可配置傳輸功率，能夠滿足無線傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院偷凸牡囊骩10-12]。

終端設(shè)備設(shè)計(jì)了供電電路、壓力傳感器檢測(cè)電路、機(jī)械式接近傳感器檢測(cè)電路、供電電池電壓檢測(cè)電路和報(bào)警電路，可對(duì)傳感器檢測(cè)值是否超過閾值進(jìn)行本地監(jiān)測(cè)報(bào)警。

由圖2可以看出，設(shè)計(jì)使用DIO4引腳讀取機(jī)械接近傳感器的開關(guān)狀態(tài)；使用ADC外設(shè)AD2監(jiān)測(cè)供電電池電壓；使用ADC外設(shè)AD1檢測(cè)壓力傳感器的模擬電壓量并通過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由式（1）計(jì)算出其壓力值。

圖2 終端設(shè)備電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of term inal equipment

式中：F為壓力值；VAD1為XBee3模塊ADC外設(shè)AD1檢測(cè)到的電壓值；a、b為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

為了滿足煤礦對(duì)井下設(shè)備本質(zhì)安全參數(shù)的要求[13-16]，根據(jù)GB 3836.4—2010國家標(biāo)準(zhǔn)，終端設(shè)備選用4 800 mAh的12 V本安型磷酸鐵鋰蓄電池作為供電電源，電池輸出電壓范圍為11～13 V，最大輸出電流為1 A[17-18]。為了保障終端設(shè)備的正常工作，需要將電池電壓降壓至穩(wěn)定的3.3 V電壓。電源管理電路采用TPS54302電源管理芯片，該芯片具有高效智能節(jié)能模式，可以顯著提高輕負(fù)載時(shí)的電源工作效率，同時(shí)降低了功率損耗，進(jìn)而降低設(shè)備總體功耗。電源管理電路如圖3。

圖3 電源管理電路Fig.3 Circuit diagram of power management

2.2 協(xié)調(diào)器的硬件

協(xié)調(diào)器設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)主要包括主控芯片外圍電路、ZigBee通信電路、以太網(wǎng)通信電路、CAN總線通信電路、內(nèi)存卡存儲(chǔ)電路、液晶顯示電路、按鍵電路等。協(xié)調(diào)器的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 協(xié)調(diào)器的硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of coordinator hardware

協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心組網(wǎng)單元，使用ARM Cortex-M4內(nèi)核的 32位處理器STM32L431RCT6低功耗單片機(jī)作為主控芯片。

協(xié)調(diào)器的主控芯片與XBee3模塊使用UART串口通信，接收終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。有線通信使用以太網(wǎng)通信或CAN總線通信接入到煤礦井下布置的綜合接收器內(nèi)，最終將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分站和云端。為了保障數(shù)據(jù)安全，防止有線通信故障時(shí)數(shù)據(jù)丟失，本系統(tǒng)使用STM32L431RCT6單片機(jī)自帶的SDIO接口外接SD卡座，最高支持32 G的內(nèi)存卡，可以將采集到的數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)在本地，便于工作人員查看歷史信息。液晶顯示電路與按鍵電路配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示菜單的翻閱、查詢，以便于煤礦井下一線工作人員實(shí)時(shí)查看井下采集到的各類傳感器數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器采用外部本安型電源模式供電，保障協(xié)調(diào)器能夠不間斷運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括終端設(shè)備、路由器和協(xié)調(diào)器3部分，終端設(shè)備完成對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的無線采集和傳輸；協(xié)調(diào)器主要接收終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，同時(shí)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分站；路由器僅需將XBee3模塊的工作模式配置為“Route”模式，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的路由功能。

3.1 終端設(shè)備的程序

設(shè)計(jì)的終端設(shè)備主要完成對(duì)液壓支架乳化液泵壓力、護(hù)幫板位置和供電電池電壓等數(shù)據(jù)的采集和傳輸。終端設(shè)備的程序流程如圖5。

圖5 終端設(shè)備的程序流程Fig.5 Process flow chart of end device

終端設(shè)備根據(jù)PAN ID（Personal Area Network Identifier，個(gè)域網(wǎng)標(biāo)志符）加入網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入引腳睡眠模式，當(dāng)引腳觸發(fā)喚醒或者跳出循環(huán)睡眠時(shí)喚醒XBee3模塊，此時(shí)對(duì)壓力傳感器、接近傳感器和供電電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將各傳感器狀態(tài)和電池信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)值超出閾值時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警裝置，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修。

3.2 協(xié)調(diào)器的程序

協(xié)調(diào)器主要接收終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過W5500以太網(wǎng)模塊發(fā)送到煤礦井下布置的綜合接收器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。為了防止通信故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，協(xié)調(diào)器還將數(shù)據(jù)備份在本地內(nèi)存卡內(nèi)。協(xié)調(diào)器的程序流程如圖6。

圖6 協(xié)調(diào)器的程序流程Fig.6 Program flow of coordinator

協(xié)調(diào)器上電或者復(fù)位后，系統(tǒng)首先初始化各個(gè)模塊并配置ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，隨后協(xié)調(diào)器進(jìn)入接收模式等待接收終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包。當(dāng)接收到固定格式的數(shù)據(jù)包后，協(xié)調(diào)器開始對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行備份和上傳，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在本地TFT屏上，以便工作人員查看采集到的信息。

4 功能測(cè)試

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)RSSI值。在實(shí)驗(yàn)室搭建煤礦綜采工作面的模擬測(cè)試環(huán)境，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)。并對(duì)RSSI值（Received Signal Strength Indication，接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值）、丟包率、數(shù)據(jù)吞吐量、ZigBee組網(wǎng)延時(shí)等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。RSSI值和數(shù)據(jù)吞吐量與距離的關(guān)系如圖7。由圖7可以看出，當(dāng)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的間距小于2 m時(shí)RSSI值隨距離呈線性遞減，當(dāng)2個(gè)設(shè)備間距大于2 m時(shí)RSSI值呈現(xiàn)出波浪式下降。2臺(tái)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)吞吐量始終維持在4～5.1 kbps，通信信號(hào)強(qiáng)度滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

圖7 RSSI值、數(shù)據(jù)吞吐量與距離的關(guān)系Fig.7 The relationship between RSSI and throughput w ith distance

2）對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信性能進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試測(cè)試系統(tǒng)的丟包率和通信延時(shí)。在不同傳輸距離下，每個(gè)間距測(cè)試依次向終端設(shè)備發(fā)送200個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包共100字節(jié)數(shù)據(jù)，共進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)試，計(jì)算得到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的平均丟包率、通信延時(shí)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信性能測(cè)試見表1。由表1可以看出，在150 m內(nèi)ZigBee組網(wǎng)通信延時(shí)較短，通信穩(wěn)定，未出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)包現(xiàn)象。

表1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信測(cè)試Table 1 Communication test of data acquisition system

3）電源測(cè)試。終端設(shè)備電源電路具有寬電壓輸入，輸入電壓范圍在7～28 V，輸出電壓為3.3 V，最大輸出電流為1 A。供電電路靜態(tài)電流僅為93.1 A，滿足系統(tǒng)低功耗的需求。電源管理電路的參數(shù)如下：①輸入電壓：7～28 V；②輸出電壓：3.3 V；③靜態(tài)電流：93.1μA；④最大電流：1 A。使用示波器和專用差分探頭對(duì)電源輸出紋波測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明電源輸出紋波峰峰值約為14.9 mV，紋波較小，能夠滿足終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備的供電要求。

5 結(jié) 語

選用XBee3模塊作為無線通信核心，軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，利用嵌入式技術(shù)和無線傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一款礦用本安型低功耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下傳感器數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和閾值超限報(bào)警等功能，通過協(xié)調(diào)器的人機(jī)交互界面可以直觀地實(shí)時(shí)查看傳感器數(shù)據(jù)。礦用本安型低功耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，消除了布線繁瑣的問題，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)在室內(nèi)150 m的距離內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，未發(fā)生丟包現(xiàn)象，通信質(zhì)量穩(wěn)定。