王振堯,朱中波 (中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州221 008)

劉衛(wèi)東 中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,江蘇徐州221008 兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦,山東兗州272102

選煤廠的條件惡劣,聲音嘈雜,各個(gè)傳送皮帶電機(jī)分布復(fù)雜。如果采用人為定期檢測(cè)的方法來獲得電機(jī)的振動(dòng)信號(hào),得到的數(shù)據(jù)沒有實(shí)時(shí)性,而且工作難度非常大。若通過采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò),把振動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送到以太網(wǎng)接入點(diǎn),再將數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換成符合以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包格式上傳到有線控制網(wǎng)絡(luò),供上位機(jī)作相應(yīng)的處理,這便形成了一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)[1]。煤礦產(chǎn)業(yè)在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用工業(yè)以太網(wǎng),而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集以及收發(fā)數(shù)據(jù)是基于無線短程網(wǎng)的主流協(xié)議IEEE802.15.4來進(jìn)行的[2]。在選煤廠的建筑中,無線傳感器的節(jié)點(diǎn)多,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量(振動(dòng)數(shù)據(jù))很大,再加上多點(diǎn)傳輸?shù)挠绊?必然會(huì)使無線接入點(diǎn)的工作量很大,如何最大限度的提高無線接入點(diǎn)的性能,能最大化的反應(yīng)整個(gè)選煤廠的客觀環(huán)境成為關(guān)鍵問題。為此,筆者對(duì)選煤廠點(diǎn)檢系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

在選煤廠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)部署在被感知的電機(jī)外殼上,上述節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的電機(jī)振動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)振動(dòng)情況實(shí)時(shí)的采集、處理和分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)、地面環(huán)網(wǎng)、調(diào)度指揮中心和用戶界面 (見圖1),其中各個(gè)車間的傳感器節(jié)點(diǎn)采用星形的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),振動(dòng)傳感器采用 ADXL202進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集,無線收發(fā)模塊采用CC1100進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),通過51單片機(jī)把采集的信號(hào)數(shù)據(jù)提供給收發(fā)模塊,然后通過多跳的方式把數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點(diǎn),完成無線采集的部分。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器,通常連接2個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)?？紤]到節(jié)點(diǎn)的通信能力有限 (數(shù)據(jù)速率僅為250kbps),為了減少網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換自身的工作量,該網(wǎng)關(guān)選擇了一款集成Ethernet接口的ARM芯片來完成硬件系統(tǒng)的搭建[3]。

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,其由內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC的ARM7處理器 W90N745CDG、射頻收發(fā)模塊CC1101、以太網(wǎng)收發(fā)芯片 (PHY)RTL8201、大容量DataFlash存儲(chǔ)卡片S29AL016D70TF102等模塊組成。

W90N745CDG作為硬件系統(tǒng)的主控芯片,片內(nèi)集成Flash、USB、CAN、以太網(wǎng)MAC等接口的高性能ARM7 SOC[4]。

收發(fā)芯片CC1100是一款低成本單片UHF收發(fā)器,功耗低,體積小,使用簡單,操作靈活。CC1100最高工作速率達(dá)500kbps,支持2-FSK,GFSK和MSK調(diào)制方式[5-6]。CC1100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 CC1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)PHY層芯片采用的是RT L8201BL。RT L8201BL是一個(gè)單端口的物理層收發(fā)器,可實(shí)現(xiàn)10/100M以太網(wǎng)物理層的全部功能。

S29AL016D70TF102是一款16Mb、只支持3.0V的閃存,包含2097152bytes或者1048576words。

在TCP/IP協(xié)議中,以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸使用硬件地址 (MAC)來進(jìn)行識(shí)別,其中ARP(地址解析協(xié)議)完成IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址之間的轉(zhuǎn)換,因而為了保證網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)中的通信,首先要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議的功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作原理如圖4所示。以太網(wǎng)向無線節(jié)點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換方式過程如下:①信息輸入端從網(wǎng)絡(luò)接口接收一個(gè)正常發(fā)往接入點(diǎn)的IP數(shù)據(jù)包,簡單判斷后向上發(fā)給對(duì)應(yīng)的 UDP或TCP處理函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理,然后向上發(fā)給網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序處理。②網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序經(jīng)過簡單分析后,確定要轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器網(wǎng)絡(luò)中的哪個(gè)節(jié)點(diǎn),通過ARP解析出該節(jié)點(diǎn)的MAC地址,再將相應(yīng)數(shù)據(jù)包成功交至該節(jié)點(diǎn)。③節(jié)點(diǎn)向Ethernet端轉(zhuǎn)換。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換工作原理圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)應(yīng)用于多種硬件平臺(tái),具有良好的移植性、高可靠性、完備的文件系統(tǒng)以及豐富的API等特點(diǎn),為嵌入式網(wǎng)關(guān)提供強(qiáng)大的軟件支持[7]。因此,選擇Linux作為嵌入式網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)。

選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)采用CC1101收發(fā)模塊來做Sink節(jié)點(diǎn),接受各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)傳送來的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)采用ARM單片機(jī)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,將感應(yīng)器、檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)等工業(yè)設(shè)備的RS-232串口信號(hào)與以太網(wǎng)絡(luò)信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。Sink節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)組成了一個(gè)接入點(diǎn),接入點(diǎn)的輸入端是無限的收發(fā)模塊,輸出端是一個(gè)以太網(wǎng)RJ-45接口。這便是一個(gè)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)口的協(xié)議轉(zhuǎn)換工具,該設(shè)備可以直接通過以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)直接相連,或者通過交換機(jī)連接到地面環(huán)網(wǎng)再與計(jì)算機(jī)通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

使用Matlab產(chǎn)生一段音樂再外接硬件喇叭,把振動(dòng)傳感器附著在喇叭上,然后對(duì)通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于振動(dòng)傳感器采集到的是振動(dòng)信號(hào)分解到X軸和Y軸的數(shù)據(jù),所以求X軸和Y軸的數(shù)據(jù)平方根就可以還原原始振動(dòng)的信號(hào)。上位機(jī)軟件接收到的信息界面如圖6所示。圖6顯示了接收一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)中包含振動(dòng)的X軸與Y軸數(shù)據(jù)。取X軸與Y軸數(shù)據(jù)的平方根,這個(gè)平方根就是振動(dòng)的幅值。把這個(gè)幅值在 Matlab中仿真就可以得到傳感器采集到的音樂的時(shí)域波形和頻域波形 (見圖7)。從圖7(b)可以看出,音樂信號(hào)的主頻率出現(xiàn)在500～700Hz之間,這說明網(wǎng)關(guān)采集到的振動(dòng)信號(hào)是正確的。

圖6 信息接收界面

圖7 振動(dòng)信號(hào)的Matlab仿真

4 結(jié) 語

對(duì)選煤廠點(diǎn)檢系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),這為選煤廠的節(jié)點(diǎn)放置提供了比較充分的空間。測(cè)試結(jié)果表明,該網(wǎng)關(guān)具有效率高、響應(yīng)實(shí)時(shí)、可靠性高、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),且在 “無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦選煤廠中的應(yīng)用”項(xiàng)目中得以使用,因而該設(shè)計(jì)具有可行性。

[1]孫利民,李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò) [M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2]王文君,胡國珍.工業(yè)以太網(wǎng)及其無線接入技術(shù)的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算,2008,21(1):23-24.

[3]崔光照,陳富強(qiáng).基于ARM9的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用,2008(11):115-118.

[4]牛永超,馬孝義.基于CC1100的溫室溫濕度檢測(cè)系統(tǒng) [J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(8):91-92.

[5]鄧專,陳維,王春麟.射頻收發(fā)芯片CC1100及其應(yīng)用 [J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007,145(6):168-168.

[6]吳常明,蘇小龍.基于A RM9嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì) [J].大眾科技,2010(7):13-14.