安 璐，丁恩杰，李曙俏

(中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州221008)

0 引言

采空區(qū)可分為散熱帶、氧化帶和窒息帶。其中由于氧氣濃度高，漏風(fēng)強(qiáng)度較小，最容易發(fā)生浮煤自燃的是氧化帶［1］。煤的自燃主要是由于煤和氧氣接觸時(shí)發(fā)生的煤氧復(fù)合，即物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)放出熱量，當(dāng)放出的熱量大于散發(fā)出的熱量時(shí)，煤溫上升導(dǎo)致煤產(chǎn)生自燃。

采空區(qū)煤的自燃是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，影響因素復(fù)雜，但概括起來可以歸納為如下幾個(gè)方面:1)具有一定厚度的浮煤;2)有充分含氧量的氣流持續(xù)的經(jīng)過浮煤區(qū);3)浮煤區(qū)有積蓄氧化熱量的環(huán)境［2，3］。

在煤的自熱過程中，溫度的變化直接反映了煤的自熱程度，因此，在采空區(qū)中可能發(fā)生煤的自燃的氧化帶中布設(shè)溫度傳感器，定時(shí)監(jiān)測采空區(qū)遺留浮煤的溫度是研究采空區(qū)中煤溫變化，分析、預(yù)報(bào)煤炭自燃直接而有效的途徑之一。本文針對現(xiàn)有井下有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足，將基于Zig Bee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入井下，對采空區(qū)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有一定的實(shí)用意義和現(xiàn)實(shí)意義［4，5］。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和Coordinator節(jié)點(diǎn)組成［6，7］。終端節(jié)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)通過溫度傳感器測量采空區(qū)溫度，并將采集得到的數(shù)據(jù)以無線的方式傳遞到路由節(jié)點(diǎn)上;路由節(jié)點(diǎn)通過多跳的方式將這些數(shù)據(jù)傳至Coordinator節(jié)點(diǎn)，同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)也負(fù)責(zé)將Coordinator節(jié)點(diǎn)收到的上位機(jī)控制命令傳遞到終端節(jié)點(diǎn);Coordinator節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將采集到的所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到井上上位機(jī)上，以供地面監(jiān)控［8］。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall network structure of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由電源管理模塊、溫度傳感器、CC2430無線收發(fā)模塊組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用3.6 V電池供電，經(jīng)過電源管理模塊將電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V給系統(tǒng)供電;溫度傳感器負(fù)責(zé)采集采空區(qū)環(huán)境溫度，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過單總線的形式傳遞給CC2430，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過RF收發(fā)器發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)框圖Fig 2 Block diagram of data collecting nodes

2.2 Coordinator節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

Coordinator節(jié)點(diǎn)同樣以CC2430為核心，電源部分可以采用有線進(jìn)行供電。另外增加了一個(gè)CAN總線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)CAN總線2種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。Coordinator節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 Coordinator節(jié)點(diǎn)框圖Fig 3 Block diagram of coordinator nodes

CAN總線收發(fā)模由CAN總線控制器MCP2515和CAN總線收發(fā)器CTM8251組成。電路如圖4所示。MCP2515與MCU的鏈接是通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)(SPI)來實(shí)現(xiàn)的。CC2430有2個(gè)串行通信接口:USART0和 USART1。查CC2430 I/O外設(shè)映射表，配置P1口的4，5，6，7引腳為SPI通信口［9，10］。MCP2515 的 SPI相關(guān)引腳分別連接到CC2430 P1口的對應(yīng)引腳上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。SPI數(shù)據(jù)經(jīng)過MCP2515協(xié)議轉(zhuǎn)換成CAN總線信號，并通過CTM8251對CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)控制。CTM8251的主要功能就是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC2500V的隔離功能。

2.3 電源管理模塊的硬件設(shè)計(jì)

終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電，路由節(jié)點(diǎn)和Coordinator節(jié)點(diǎn)采用直流供電。電源模塊可以采用現(xiàn)有井下127 V轉(zhuǎn)5 V本安型有線直流電源供電和可充電電池供電。由于CC2430工作電壓為3.3 V，為了避免因電池長時(shí)間工作而造成的電壓下降，系統(tǒng)采用具有升降壓功能的穩(wěn)壓芯片TPS63001，其可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V工作電壓。電路如圖4所示。

圖4 電源管理模塊電路Fig 4 Circuit of power management module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加入、數(shù)據(jù)量測以及發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行CC2430硬件初始化和Zig Bee協(xié)議棧初始化，完成節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置、寄存器設(shè)置以及工作模式的設(shè)置。初始化完成后請求加入網(wǎng)絡(luò)，一點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功，就進(jìn)入時(shí)間輪詢模式。節(jié)點(diǎn)定時(shí)查詢有無事件發(fā)生，這里的事件主要是對定時(shí)器的設(shè)置。由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的采用電池供電，考慮到能耗和電池壽命，每隔一定時(shí)間啟動(dòng)定時(shí)器，喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，并把數(shù)據(jù)封裝成一定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候設(shè)置節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)。流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig 5 Programming flow chart of data collecting nodes

3.2 Coordinator節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

Coordinator節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的建立、允許終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換，并將溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。Coordinator節(jié)點(diǎn)上電后經(jīng)過CC2430硬件初始化和Zig Bee協(xié)議棧初始化后，進(jìn)行信道搜索并建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，接收并傳送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)充當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與CAN總線的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。另一方面，Coordinator節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)的控制命令并經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后將命令傳送給終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。流程圖如圖6所示。

圖6 Coordinator節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig 6 Programming flow chart of coordinator nodes

3.3 溫度傳感器DS18B20的軟件設(shè)計(jì)

DS18B20的工作電壓為3～5.5 V，溫度測量范圍為－55～125℃。在測溫的過程中有嚴(yán)格的通信協(xié)議。每次對DS 18B20的溫度轉(zhuǎn)換一般進(jìn)行3個(gè)步驟:初始化、ROM操作、存儲(chǔ)器操作。

MCU在接收應(yīng)答脈沖之后，由于在每個(gè)MCU上只掛接了1個(gè)DS 18B20，因此，跳過ROM檢查，并啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換命令，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，發(fā)送RAM指令，讀出溫度值，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制形式。溫度采集程序流程圖如圖7所示。

圖7 DS18B20工作流程圖Fig 7 Working flow chart of DS18B20

4 實(shí)驗(yàn)測試

將上述方案設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行溫度對比實(shí)驗(yàn)。水銀溫度計(jì)的最小刻度為0.1℃，在0～100℃選取2個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。5月13日，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下從上午9點(diǎn)到下午15點(diǎn)每隔1h記錄一次采集到的溫度值，節(jié)點(diǎn)外接LED數(shù)碼管顯示溫度傳感器采集的溫度值，設(shè)定顯示位數(shù)為三位。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試溫度數(shù)據(jù)Tab 1 Test temperature data

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出:該系統(tǒng)可以有效的測量溫度的變化，根據(jù)溫度精度要求的不同，可以將溫度精度調(diào)整到最高0.0625℃。測量值與標(biāo)準(zhǔn)值間的誤差主要是由于傳感器本身的誤差導(dǎo)致。系統(tǒng)在無線傳輸上穩(wěn)定可靠，由于溫度測量范圍為－55～125℃，因此，該系統(tǒng)能夠有效地對采空區(qū)溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，并將采空區(qū)溫度預(yù)警控制在125℃內(nèi)，杜絕了煤的自燃。

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