杜京義 周 棟 唐小華 李 娜

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

煤礦雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)子網(wǎng)設(shè)計(jì)

杜京義 周 棟 唐小華 李 娜

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

針對礦井下雜散電流檢測環(huán)境復(fù)雜、干擾嚴(yán)重、不適于敷線等特點(diǎn)，組建了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、通信可靠性得到加強(qiáng)?？紤]到無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量有限，提出結(jié)合嵌入式網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)增加子網(wǎng)絡(luò)或添加分站式雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)。嵌入式網(wǎng)關(guān)將無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入有線工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，建立地域雜散電流數(shù)據(jù)庫，以加強(qiáng)對地域的整體安全分析和管理。試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)應(yīng)用于礦井下復(fù)雜環(huán)境雜散電流檢測的正確性及可行性。

煤礦 雜散電流 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 嵌入式網(wǎng)關(guān) 監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

在煤礦井下，直流電機(jī)車牽引網(wǎng)絡(luò)中的雜散電流是引發(fā)雷管先期爆炸的原因之一，也是引起地下金屬管道和電纜被腐蝕的主要原因［1］。其危害主要包括提前引爆電雷管、引起瓦斯爆炸、漏電保護(hù)誤動作、影響井下通信系統(tǒng)等［2］。雜散電流需通過連續(xù)觀測，以實(shí)現(xiàn)對其危險(xiǎn)性的有效評估。文獻(xiàn)［3］采用基于嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機(jī)技術(shù)監(jiān)測雜散電流，文獻(xiàn)［4］采用單片機(jī)結(jié)合CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)雜散電流監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化。以上方案均采用全局布線方式。由于現(xiàn)場情況復(fù)雜多變，不適合敷設(shè)信號傳輸線纜［5－6］，且使用有線傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)很難達(dá)到預(yù)定目的［7］。

ZigBee技術(shù)以其自組織、低功耗、低延時(shí)等特點(diǎn)［8－10］，被廣泛應(yīng)用于各種場合。因此，本文提出以ZigBee子網(wǎng)絡(luò)代替現(xiàn)場級監(jiān)測、傳輸數(shù)據(jù)，避免現(xiàn)場布線的困擾。

1 系統(tǒng)構(gòu)建概述

在目前的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)通信方式基本上是以光纖的工業(yè)以太網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)為主體并結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)具有傳輸方式穩(wěn)定、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。但是在煤礦特殊區(qū)域中，如廢棄的礦井、開采面以及狹小巷道等工作面，對這種有線的傳輸方式提出了很大挑戰(zhàn)。這些區(qū)域存在著大量的不確定非安全因素等，發(fā)生事故時(shí)容易對有線網(wǎng)絡(luò)造成致命的破壞，不利于井下環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)煤礦監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以很好地解決井下近距離通信問題，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)性、系統(tǒng)的可靠性。

雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)分為兩大部分，一部分為現(xiàn)有雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)，第二部分為擴(kuò)展雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)。本文將對擴(kuò)展雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。擴(kuò)展雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分為ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雜散電流檢測、轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸；第二部分為由ARM11構(gòu)成的嵌入式網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)ZigBee與TCP/IP或CAN等多種協(xié)議間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含以下3種設(shè)備：①協(xié)調(diào)器（PAN coordinator），負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的連接；②路由器執(zhí)行路由功能，也稱全功能設(shè)備（full functiondevice，F(xiàn)FD）；③終端節(jié)點(diǎn)作用為執(zhí)行基本功能，也稱精減功能設(shè)備（reduced function device，RFD）。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 System topology

系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)選擇三星S3C6410 ARM11內(nèi)核微處理器作為中央處理器。S3C6410內(nèi)有寬范圍的UART接口，適合通信網(wǎng)絡(luò)中作為嵌入式軟Modem使用，具有2GB NAND Flash；同時(shí)，采用DM9000AE控制器的100 Mbit/s以太網(wǎng)口，可擴(kuò)展CAN通信控制芯片。嵌入式網(wǎng)關(guān)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

通過構(gòu)建基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使該系統(tǒng)具備以下功能：①RFD外接雜散電流檢測裝置，持續(xù)監(jiān)控其物理參量并向外傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；②FFD將RFD發(fā)送的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；③協(xié)調(diào)器接收來自FFD數(shù)據(jù)，并通過UART送至網(wǎng)關(guān)；④網(wǎng)關(guān)接收來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后經(jīng)由TCP/IP或CAN送至監(jiān)控中心。

系統(tǒng)采用TI CC2530底板作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)核心器件，以ZigBee協(xié)議為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳感無線部分基礎(chǔ)。系統(tǒng)通過雜散電流檢測裝置將雜散電流數(shù)據(jù)送入ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由無線方式通過單跳或者多跳將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過UART方式與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連接，完成數(shù)據(jù)由無線網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)關(guān)的傳輸。網(wǎng)關(guān)采用S3C6410底板作為嵌入式網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)。UART接口與無線傳感網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連接，完成數(shù)據(jù)由無線到網(wǎng)關(guān)的傳輸。TCP/IP接口與以太網(wǎng)相連接，完成數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換及傳輸功能。

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)架示意圖Fig.2 Schematic diagram of the architecture of embedded gateway

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

從功耗和便攜性上考慮，ARM11擁有獨(dú)立的loadstore和算術(shù)流水的8級流水線，與ARM9相比性能提高了40％，是一種高性能、低功耗的微處理器。因此，基

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

①雜散電流檢測信號處理電路

由于雜散電流含有直流雜散電流與交流雜散電流，因此，采用探針法與近參比法相結(jié)合的方法測取雜散電流波形，并通過電壓信號的形式反映出來。在雜散電流檢測信號處理電路中，低通濾波電路與LM324AD電壓跟隨電路組合成一階低通有源濾波電路，在信號放大前濾波，防止噪聲進(jìn)入放大器。低功耗高精度單電源供電放大器OPA335對交流電流進(jìn)行偏置放大，得到對應(yīng)波形的直流信號。低通一階濾波電路與OPA335電壓跟隨電路組成一階低通有源濾波電路，濾除放大器產(chǎn)生的噪聲，并將信號送至CC2530進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。信號處理電路如圖3所示。

圖3 信號處理電路Fig.3 The signal processing circuit

②網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理單元主要是依靠 FFD與 RFD設(shè)備中所包含的微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理。因此，所有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理依靠FFD與RFD節(jié)點(diǎn)中的CC2530核心板完成。ZigBee核心處理單元電路如圖4所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理核Fig.4 The data processing core of ZigBee network node

③節(jié)點(diǎn)電源

ZigBee節(jié)點(diǎn)采用干電池供電方式。為保證A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)參考電壓恒定在4.5 V，采用REF5045對干電池電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為CC2530 A/D轉(zhuǎn)換提供基準(zhǔn)參考電壓。CC2530具有電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)對電源供電進(jìn)行監(jiān)測和管理，當(dāng)供電不足時(shí)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送電量不足信息，提醒更換電池。CC2530芯片擁有4種供電模式，可在低至0.4μA供應(yīng)電流下響應(yīng)外部中斷。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測由網(wǎng)關(guān)、FFD軟件與RFD軟件三個(gè)部分組成。其中，網(wǎng)關(guān)部分利用μC/OS-Ⅱ在S3C6410上裁剪和移植形成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，并根據(jù)FFD設(shè)備需求，將嵌入式TCP/IP協(xié)議棧與ZigBee協(xié)議棧有機(jī)結(jié)合，完成數(shù)據(jù)由無線網(wǎng)絡(luò)無縫接入有線網(wǎng)絡(luò)。FFD與RFD設(shè)備軟件部分主要基于TIZ-STACK協(xié)議棧，針對不同設(shè)備對ZigBee應(yīng)用層軟件進(jìn)行適當(dāng)修改即可。

3.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

（1）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（FFD）與 ARM核心板通過URAT進(jìn)行通信。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能為：①負(fù)責(zé)建立并維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；②將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過URAT傳送至ARM網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.5 Coordinator node software process

（2）ARM核心板作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)核心，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

①與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過UART與ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；

②建立TCP/IP總線服務(wù)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)或者將上位機(jī)命令送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)；

③對雜散電流超標(biāo)區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.6 Gateway node software process

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

RFD設(shè)備主要負(fù)責(zé)雜散電流信號的檢測并轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee網(wǎng)絡(luò)。RFD啟動，完成初始化，加入附近的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并建立連接，完成對檢測到的雜散電流的A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送至最近的父節(jié)點(diǎn)。檢查并接收來自父節(jié)點(diǎn)的消息，根據(jù)父節(jié)點(diǎn)指令作出相應(yīng)動作或周期性地進(jìn)入休眠狀態(tài)。RFD軟件流程如圖7所示。

圖7 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程Fig.7 Terminal node software process

4 系統(tǒng)測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，利用信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生雜散電流，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。在同一樓層，A房間產(chǎn)生信號并對該信號進(jìn)行檢測；在樓道間隨意放置路由節(jié)點(diǎn)3個(gè)；在B房間門口放置嵌入式網(wǎng)關(guān)并通過LAN口與上位機(jī)相連接。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 實(shí)測收發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of the transceiver datameasured

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)有一定程度丟失，但是大多數(shù)雜散電流數(shù)據(jù)能完整接收并保存，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)充分利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)，可隨機(jī)布置節(jié)點(diǎn)位置，不需要在改變當(dāng)前礦井網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、增加布線的方式下實(shí)現(xiàn)對雜散電流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。改變傳統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測雜散電流監(jiān)測布線困擾的現(xiàn)狀，系統(tǒng)通過靈活添加或刪除雜散電流監(jiān)控子網(wǎng)絡(luò)，有線與無線的結(jié)合，將整個(gè)工作面、巷道等地域連接起來，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)區(qū)域的雜散電流狀態(tài)監(jiān)測，并形成雜散電流數(shù)據(jù)庫，以便加強(qiáng)對整個(gè)區(qū)域的監(jiān)測、分析和管理。

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Design of the Subnet of Stray Current Monitoring System for Coalmine

Stray current detection under coalmine features complex environment，serious interference，and unsuitable for cabling，so it is necessary to setup ZigBee wireless sensor network（WSN）to strengthen scalability of the system and reliability of communication.Considering the capacity of the wireless sensor network is limited，the combination of embedded gateway is proposed to implement adding subnet or substation stray currentmonitoring system.TheWSN data are transferred towired industrialmonitoring network via embedded gateway，thus the regional stray current database is established for enhancing overall safety of regional analysis and management.The experiments verify the correctness and feasibility of this system applied in stray current detection under complex environment of coalmine.

Coalmine Stray current ZigBee Wireless sensor network Embedded gateway Monitoring system

TP274

A

修改稿收到日期：2013－11－04。

杜京義（1965－），男，2007年畢業(yè)于西安科技大學(xué)安全技術(shù)與工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事機(jī)器學(xué)習(xí)、新型機(jī)器人、辨識及建模、故障診斷、安全生產(chǎn)與監(jiān)測、監(jiān)控方面等的研究。