肖雅靜 孟國(guó)營(yíng) 楊 睿

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

帶式輸送機(jī)溫度無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

肖雅靜 孟國(guó)營(yíng) 楊 睿

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

針對(duì)采用手持設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)帶式輸送機(jī)溫度進(jìn)行檢測(cè)存在的問題，設(shè)計(jì)了一套帶式輸送機(jī)溫度無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)組成和工作原理，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的主要硬件和溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)。通過在煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)溫度的無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能夠?qū)捷斔蜋C(jī)的故障起到預(yù)警作用。

帶式輸送機(jī) 溫度監(jiān)測(cè) 無線監(jiān)測(cè) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸中起著重要作用，其能否持續(xù)無故障地運(yùn)行直接影響到煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益。在帶式輸送機(jī)設(shè)備監(jiān)控體系中，溫度監(jiān)測(cè)目前還不夠成熟和完善，大多數(shù)溫度監(jiān)測(cè)仍存在采用有線采集定式，不能隨意布點(diǎn)和調(diào)整監(jiān)控部位的缺點(diǎn)，一旦因監(jiān)控不到位則可能發(fā)生事故導(dǎo)致巨大損失。另外，如果整個(gè)設(shè)備大量發(fā)熱點(diǎn)溫度不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，造成了突發(fā)事件無法控制。為了解決此問題，需要對(duì)發(fā)熱部分的溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行集中管理，因此研發(fā)了帶式輸送機(jī)溫度無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)組成和工作原理

帶式輸送機(jī)溫度無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度采集模塊、分站和主站組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，溫度采集模塊將溫度信號(hào)通過無線傳輸電路傳輸至分站，分站對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，并將數(shù)據(jù)傳輸給主站，分站與主站通信采用CAN總線通信方式；分站只支持被動(dòng)查詢方式，主站根據(jù)需要查詢分站的具體工況；主站的功能主要是完成信號(hào)存儲(chǔ)、溫度顯示以及溫度異常檢測(cè)，并可通過CDMA發(fā)射裝置向相關(guān)負(fù)責(zé)人手機(jī)發(fā)送具體報(bào)警信息，避免由于設(shè)備故障造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　系統(tǒng)主要硬件

2.1溫度傳感器

溫度采集模塊采用超輕鋰電池供電模式，因此該模塊具有體積小和重量輕的特點(diǎn)。溫度采集模塊通過無線傳輸技術(shù)與分站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不需要布線，貼在測(cè)溫點(diǎn)就可以進(jìn)行溫度的采集，可以方便地應(yīng)用于各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的設(shè)備上?？紤]到防水性、功耗以及數(shù)字程度等因素，溫度采集傳感器選用18B20型溫度傳感器。該傳感器具有數(shù)字輸出采集到的溫度和采用先進(jìn)的單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等特點(diǎn)，預(yù)置產(chǎn)品序列號(hào)于ROM中，方便多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用。無線溫度傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下:量程為-55℃～+125℃；測(cè)量誤差為±0.5℃；檢測(cè)周期為60～80 s；發(fā)射頻率為300～400 MHz；通訊距離為30～300 m；等待狀態(tài)功耗為2.5μA，工作狀態(tài)功耗為11 m A；連續(xù)工作時(shí)間為不小于3 a。

2.2溫度采集模塊中央處理單元

中央處理單元采用STC11F01單片機(jī)，該處理器采用高速增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有10倍于8051的速度，能夠適應(yīng)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量的測(cè)量速度要求。同時(shí)該芯片具有寬電壓設(shè)計(jì)，在3.6～2.4 V都能正常工作，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，該處理器選用低功耗設(shè)計(jì)，外部中斷可以隨時(shí)喚醒掉電模式下的芯片，這樣就能大大延長(zhǎng)溫度采集模塊電池的壽命，不用頻繁更換電池，減少維修和管理方面的問題。

2.3無線傳輸模塊

無線傳輸模塊的選型尤為重要，如果需要專門申請(qǐng)頻點(diǎn)，那么勢(shì)必增加產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，因此選用nRF401芯片作為無線傳輸芯片。nRF401是北歐一家集成電路公司研發(fā)的無線收發(fā)芯片，工作頻段為433 MHz，不需要專門申請(qǐng)頻點(diǎn)，這就為產(chǎn)品的工業(yè)化使用提供了大大的便利。該芯片采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，發(fā)射功率可以調(diào)整，收發(fā)速率可以達(dá)到20 K。此外，此芯片采用差分天線形式作為接口設(shè)計(jì)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以選用成本相對(duì)低的PCB天線，可以大大降低產(chǎn)品成本。nRF401芯片和中央處理單元一樣采用寬電壓設(shè)計(jì)，工作電壓范圍2.7～5 V，可以工作在待機(jī)模式，更具節(jié)能效果，還能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命。該芯片主要由發(fā)射電路、接收電路、串行接口和低功率控制邏輯電路等組成。nRF401芯片主要具有節(jié)能、可靠和易用的特點(diǎn):

（1）工作時(shí)功率比較小，發(fā)射功率小于10 m W。

（2）不需要申請(qǐng)專門頻點(diǎn)，一般情況下載頻頻率為433 MHz，如果有特殊要求也可提供868/915 MHz的載頻。

（3）基于FSK的調(diào)制方式和采用高效前向糾錯(cuò)信道的編碼技術(shù)進(jìn)行編碼，使得數(shù)據(jù)傳輸中的抗干擾能力得到大幅提高，具有低誤碼率以及高抗干擾能力。

（4）數(shù)據(jù)傳輸格式開放且透明，可以適應(yīng)任何用戶協(xié)議。

（5）具有智能數(shù)據(jù)控制功能，用戶不需要編寫額外的程序，只要從發(fā)送/接收接口完成數(shù)據(jù)收發(fā)即可，轉(zhuǎn)換等功能由芯片自動(dòng)完成。

（6）芯片能夠工作在待機(jī)模式。

3　溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)

溫度傳感器同中央處理單元之間通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在讀取溫度傳感器的溫度時(shí)，中央處理器先后發(fā)出8位寄存器指和已經(jīng)預(yù)先設(shè)置好的傳感器地址，然后將讀/寫管腳設(shè)為高電平，讀取所需寄存器的值；中央處理器與傳感器進(jìn)行2次數(shù)據(jù)通信以先后讀出高8位和低8位的數(shù)據(jù)；中央處理器讀取完傳感器的數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過無線方式傳輸給分站；中央處理器接收完數(shù)據(jù)之后向傳感器發(fā)送一個(gè)單步指令，使傳感器進(jìn)行下一次溫度的測(cè)量之后進(jìn)入等待模式；中央處理器發(fā)出單步指令后進(jìn)入低功耗模式，與此同時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生喚醒CPU的定時(shí)中斷。定時(shí)的長(zhǎng)短可以通過編程進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于變化較快的信號(hào)定時(shí)時(shí)間要盡可能短。由于本系統(tǒng)測(cè)量的是連續(xù)變化的溫度信號(hào)，為了節(jié)省資源，定時(shí)周期沒有必要設(shè)定的太長(zhǎng)。定時(shí)器中斷子程序流程圖如圖2所示。

圖2　定時(shí)器中斷子程序流程圖

4　主站與分站通訊格式

主站與分站通訊為主動(dòng)方式，即分站不會(huì)主動(dòng)向主站傳送數(shù)據(jù)，必須由主站向分站發(fā)出讀寫指令，分站才會(huì)有相應(yīng)的響應(yīng)。選用的總線驅(qū)動(dòng)電路決定了CAN總線所掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)，目前掛接的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可以達(dá)到110個(gè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主站下掛幾十個(gè)分站，理論上不存在任何問題。在通訊過程中將主站和分站波特率都設(shè)置為9600 bps。主站平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)格式為通訊協(xié)議: AAL，地址:0-X；分站返回?cái)?shù)據(jù)格式為通訊協(xié)議:55L，地址:01，數(shù)據(jù)幀:n*8位數(shù)據(jù)。

主站根據(jù)需要查詢分站的具體數(shù)據(jù)，分站只支持被動(dòng)查詢方式。正常工作狀態(tài)時(shí)，所有的分站都處于接受狀態(tài)。當(dāng)主站需要查詢分站的數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送被查詢分站的地址。所有分站都同時(shí)接收主站發(fā)來的地址，并判斷此地址是否與本機(jī)地址相同，如果不同則放棄本次與主站之間的通訊，如果相同則完成與主站的握手信號(hào)對(duì)接，并繼續(xù)接收主站的查詢命令，返回主站所查詢參數(shù)的實(shí)際值。

5　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)溫度無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無線技術(shù)對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行采集，本系統(tǒng)具有很高的組網(wǎng)靈活性、無線傳輸?shù)南冗M(jìn)性以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。通過在煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)帶式輸送機(jī)溫度監(jiān)測(cè)的要求，大大減少了人工監(jiān)測(cè)的工作量，實(shí)現(xiàn)其溫度的無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)帶式輸送機(jī)故障起到預(yù)警作用。

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［5］ 甘永梅，李慶豐，劉曉娟等.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004

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（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）

Research and design on wireless and real-time temperature monitoring system of belt conveyor

Xiao Yajing，Meng Guoying，Yang Rui
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the existing problems of field measuring the temperature of belt conveyor with handheld device，a set of wireless and real-time temperature monitoring system of belt conveyor was designed.The system composition and operating principle were introduced，and the main hardware and the software design of temperature data gathering module were elaborated. The mining field experiment showed that the system could achieve wireless and real-time monitoring the temperature of belt conveyor，and it also could play a role of early warning on malfunction of belt conveyor.

belt conveyor，temperature monitoring，wireless monitoring，real-time monitoring

TD528.1

A

肖雅靜（1983-），女，河北唐山人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院在讀博士生，主要從事機(jī)械電子工程方面的研究。