何學(xué)文 孫 汗 曹清梅

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

金屬礦井無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何學(xué)文 孫 汗 曹清梅

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

針對(duì)目前金屬礦井溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的線纜布線復(fù)雜、成本高、靈活性差、容易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，終端溫濕度采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫濕度傳感器SHT10采集金屬礦井溫濕度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線的方式發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)處理后通過(guò)串口把溫濕度值傳遞到監(jiān)控中心的上位機(jī)。采用LabVIEW對(duì)上位機(jī)的監(jiān)控軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，人機(jī)交互界面友好。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了金屬礦井溫濕度的自動(dòng)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)以及異常情況的自動(dòng)報(bào)警等功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬礦井溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集靈敏、可靠性高、成本低、布置靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有金屬礦井溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

金屬礦井 ZigBee 溫濕度 LabVIEW

隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，金屬礦井智能化管理得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。在金屬礦井這種特殊的環(huán)境下，若要實(shí)現(xiàn)高效的智能化管理則需要更先進(jìn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而其中對(duì)金屬礦井內(nèi)溫濕度的監(jiān)控是很重要的一個(gè)方面，在金屬礦井生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要合適的溫濕度環(huán)境，來(lái)提高生產(chǎn)力。

目前金屬礦井溫濕度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)是通過(guò)有線通信方式建立的，有線通信存在布線復(fù)雜、維護(hù)不方便、監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)固定、不夠靈活、成本高等問(wèn)題，不能很好地滿足礦井智能化管理的需求，而基于Zig Bee的無(wú)線傳輸設(shè)備具有高性能、低功耗、短距離、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其在金屬礦井環(huán)境中的實(shí)用性能要明顯優(yōu)于現(xiàn)有的有線或其他無(wú)線通信技術(shù)。鑒于此，本研究采用基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，針對(duì)金屬礦井生產(chǎn)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種金屬礦井無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。大量ZigBee溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)部署在金屬礦井重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到礦井溫濕度數(shù)據(jù)，然后通過(guò)多徑傳輸路由到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合以及協(xié)議轉(zhuǎn)換和重新封裝處理后，通過(guò)串口(RS232)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，用戶可以通過(guò)監(jiān)控中心管理平臺(tái)上的系統(tǒng)軟件對(duì)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、顯示并判斷溫濕度是否超過(guò)預(yù)警值，如果超過(guò)報(bào)警值，系統(tǒng)自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警，并與金屬礦井巷道內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵聯(lián)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of system structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)是完成金屬礦井重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域溫濕度的數(shù)據(jù)采集，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of sensor node

由圖2可以看出，傳感器節(jié)點(diǎn)主要由SHT10溫濕度傳感器、CC2530 Zig Bee無(wú)線收發(fā)模塊以及電源模塊組成。通過(guò)SHT10采集金屬礦井監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)CC2530處理后通過(guò)2.4 G天線發(fā)送出去；相反，天線收到控制指令以后交給CC2530芯片，由其做出相應(yīng)的操作。SHT10是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器，該傳感器全量程標(biāo)定，2位輸出；它具有體積小、精度高、接口簡(jiǎn)單、構(gòu)成系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。其主要性能參數(shù)有：工作電壓為2.4～5.5 V；濕度測(cè)量范圍為0 ～100%，測(cè)量精度為±4.5%；溫度測(cè)量范圍-40～+123.8 ℃，測(cè)量精度為±0.5 ℃[1]。CC2530是用于2.4 GHz、IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM等功能，與CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、低功耗、鏈路預(yù)算、射頻噪聲抑制能力等方面都有較大的提高[2-3]。該部分的電源模塊采用5 V鋰電池供電，通過(guò)AMS1117_3.3芯片可為系統(tǒng)各部分提供3.3 V的直流電壓，鋰電池供電可持續(xù)使用6個(gè)月到2 a。SHT10與CC2530接口電路如圖3所示，電源模塊電路如圖4所示。

圖3 SHT10與CC2530連接圖Fig.3 The connection diagram of SHT10 and CC2530

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)處于溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的上層，其主要功能是完成網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、數(shù)據(jù)上傳、命令下達(dá)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)與管理等功能，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)框圖Fig.5 Block diagram of Sink node

匯聚節(jié)點(diǎn)采用CC2530F256芯片，該芯片適用于2.4 GHz的射頻收發(fā)，采用倒F天線，具有256 kB可編程閃存，內(nèi)含增強(qiáng)型低功耗8051微控制器內(nèi)核和一些常用外設(shè)，只需極少的外圍器件就能保證芯片的正常工作，并提供不同低功耗供電模式，支持最新的ZigBee2007/Pro協(xié)議棧，帶有2個(gè)USART接口。時(shí)鐘電路采用32 MHz和32.768 kHz雙石英諧振器模式，分別可使芯片工作在高速處理模式和低功耗的休眠模式，以此控制芯片的能耗。采用MAX3232對(duì)RS232電平和TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將收集的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳到監(jiān)測(cè)中心[4-5]?？紤]到匯聚節(jié)點(diǎn)的功耗較大，該部分電源供電可采用容量較大的鋰電池供電，如2 000 mA的鋰電池提供3.6 V供電，該電池可反復(fù)智能充電，解決了使用一般干性電池需要經(jīng)常更換的問(wèn)題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)3個(gè)部分。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加入、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送、保持與鄰近節(jié)點(diǎn)間的通信、檢測(cè)鏈路工作狀態(tài)、路由功能等。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，考慮到電池壽命和能耗，利用定時(shí)采集數(shù)據(jù)的方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置斷點(diǎn)，間歇性采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)封裝為一定的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去，每完成一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)后進(jìn)入一段低功耗的休眠狀態(tài)，直到下次中斷到來(lái)喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠狀態(tài)，然后傳感器節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入工作狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程Fig.6 The design flow chart of sensor node

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)軟件的主要任務(wù)是組建與維護(hù)一個(gè)Zig Bee網(wǎng)絡(luò)，并初始化監(jiān)控計(jì)算機(jī)的IP地址和端口號(hào)且主動(dòng)連接監(jiān)控計(jì)算機(jī)，接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息包，為有入網(wǎng)請(qǐng)求的傳感器節(jié)點(diǎn)分配地址，并接收分析傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)包后，通過(guò)串口(RS232)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。此外，匯聚節(jié)點(diǎn)利用串口(RS232)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令并將指令傳送到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的指定傳感器節(jié)點(diǎn)，并采取相應(yīng)的處理。匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程Fig.7 The design flow chart of Sink node

3.3 監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

管理中心監(jiān)控平臺(tái)軟件采用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，LabVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與顯示、存儲(chǔ)和控制等功能，人機(jī)接口界面采用圖標(biāo)創(chuàng)建，易于創(chuàng)建友好的人機(jī)交互界面[6]。系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)軟件主要包括用戶管理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、超限告警模塊、串口通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模塊。

本系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)計(jì)的軟件界面查詢到金屬礦井巷道中任何一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置以及實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)值和存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，并且軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)顯示的傳感器節(jié)點(diǎn)的溫濕度值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫濕度參數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，如果超過(guò)預(yù)設(shè)的溫濕度值，則系統(tǒng)會(huì)報(bào)警并語(yǔ)音提醒管理者，同時(shí)發(fā)出信號(hào)對(duì)聯(lián)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制。此外，該系統(tǒng)采用LabVIEW中提供的DataSocket的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)用戶的Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，采用Microsoft Ado及SQL語(yǔ)言的NI公司免費(fèi)的多數(shù)據(jù)、跨平臺(tái)的LabSQL工具包來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將按上述方案設(shè)計(jì)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與深圳華圖S590-TH數(shù)字式溫濕度計(jì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在0～125 ℃選取3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2013年10月27日，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下從上午10：20到晚上20:20點(diǎn)，每隔1 h記錄采集到的溫濕度值，得到測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data

從表1中可以看出，溫濕度數(shù)值、溫濕度誤差均在正常測(cè)量和控制誤差允許范圍之內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)在無(wú)線傳輸上穩(wěn)定可靠，能夠成功采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的溫濕度計(jì)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集靈敏、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本研究以CC2530芯片與SHT10溫濕度傳感器為核心構(gòu)建一個(gè)金屬礦井無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有通信可靠性、功耗低，擴(kuò)展性強(qiáng)、組網(wǎng)快、通信靈活、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決現(xiàn)有金屬礦井溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的線纜布線復(fù)雜、靈活性差、容易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題。同時(shí)，LabVIEW的引入提供了便捷的人機(jī)交互界面，系統(tǒng)可以方便地應(yīng)用于金屬礦井巷道中，該系統(tǒng)還可以推廣到其他需要溫濕度監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Design on Wireless Temperature and Humidity Monitoring System of Metal Mine

He Xuewen Sun Han Cao Qingmei

(MechanicalandElectricalEngineeringCollege，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China)

Aimed at the present disadvantages about temperature and humidity monitoring system of metal mine，such as complex cable wiring，high cost，poor flexibility，prone to blind area monitoring and so on，a wireless temperature and humidity monitoring system is designed.The system nodes revolve around CC2530，end nodes sense the temperature and humidity of metal mine by temperature and humidity sensor SHT10，then，data is sent to sink node from end nodes by the way of wireless.Sink node sends processed data to the monitoring center of the upper machine by a serial port.The system uses LabVIEW as PC monitoring software development with friendly human-computer interaction interface，which realizes automatic data collection，processing，display，storage，abnormal situation of automatic alarm and so on，the final implementation of real-time monitoring of temperature and humidity in mental mine.The experimental results show that the system has some advantages，such as high reliability，low cost，flexible layout，convenient maintenance and so on，solving the existing problems in temperature and humidity monitoring system of metal mine.

Metal mine，ZigBee，Temperature and humidity，LabVIEW

2013-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：61163063，50764005)，江西省教育廳科技項(xiàng)目(編號(hào)：GJJ12329，GJJ12353)。

何學(xué)文(1971—)，男，教授。

TD77+2

A

1001-1250(2014)-03-116-04