張莫南，崔建文

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張莫南，崔建文

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

闡述了無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用方法，提出了基于無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)的儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)出基于ZigBee的瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)、軟件設(shè)計(jì)、技術(shù)特點(diǎn)，并分析了其應(yīng)用情況和發(fā)展前景。瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入使用后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)可燃?xì)怏w的有效監(jiān)測(cè)，且其功耗低，易于安裝和維護(hù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)其他同類(lèi)用戶(hù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造具有較好的參考價(jià)值。

單片機(jī)；ZigBee協(xié)議；儲(chǔ)煤筒倉(cāng)；無(wú)線監(jiān)測(cè)

儲(chǔ)煤筒倉(cāng)廣泛用于火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、焦化廠、煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)站等場(chǎng)所，但筒倉(cāng)儲(chǔ)煤過(guò)程中存在危險(xiǎn)因素。如果煤炭長(zhǎng)期在筒倉(cāng)內(nèi)存放，煤炭溫度和瓦斯?jié)舛染蜁?huì)升高，當(dāng)溫度、濃度達(dá)到極限時(shí)，極有可能引發(fā)自燃甚至爆炸等重大生產(chǎn)事故[1]。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)筒倉(cāng)的重要工程參數(shù)(如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛取熿F濃度)監(jiān)測(cè)、分析，及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的異常情況采取正確的應(yīng)對(duì)措施，確保其安全運(yùn)行。現(xiàn)有儲(chǔ)煤筒倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以檢測(cè)、集中控制居多，存在現(xiàn)場(chǎng)控制總線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)升級(jí)困難等弊端，新建筒倉(cāng)共用原監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)的改造難度也很大。

基于無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)煤炭溫度、瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)和超聲波料位計(jì)輸出信號(hào)一并上傳至生產(chǎn)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濃度的及時(shí)和快速調(diào)控，有效地解決目前儲(chǔ)煤筒倉(cāng)使用管理中存在的安全問(wèn)題。綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例，提出以Zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線通信架構(gòu)，開(kāi)發(fā)出瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建低能耗、高可靠性的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)在遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究上一直進(jìn)行著不懈地努力，尤其是隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷革新，無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用得到普遍認(rèn)可。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)與控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)突顯出巨大的應(yīng)用活力[2]。工業(yè)無(wú)線測(cè)控技術(shù)將是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后控制系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)之一，將使工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的建設(shè)成本進(jìn)一步下降，應(yīng)用范圍更加廣泛。

基于ZigBee的無(wú)線通信模塊無(wú)需考慮節(jié)點(diǎn)的能量損耗，其與傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)等結(jié)合后，可組成實(shí)用價(jià)值非常高的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]?；赯igBee的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣、應(yīng)用空間廣闊，將會(huì)使一些產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的升級(jí)改造成本大大降低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)緊湊，所需硬件資源相對(duì)較小，具體需求可概括為八位微處理器、完整的協(xié)議棧、約6 kB的子節(jié)點(diǎn)堆棧、協(xié)調(diào)器外擴(kuò)隨機(jī)存儲(chǔ)器。完整的ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of ZigBee protocol stack

2 儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的類(lèi)型和分布情況，構(gòu)建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，包含用于儲(chǔ)煤筒倉(cāng)工程參數(shù)監(jiān)測(cè)的傳感器節(jié)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[5-6]。由傳感器節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)RS485數(shù)據(jù)線傳送至上位機(jī)。儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳輸系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

采用PIC18F4620單片機(jī)和CC2420 2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器分別開(kāi)發(fā)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)用于接收上位機(jī)的問(wèn)詢(xún)指令，基于ZigBee協(xié)議將監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)以無(wú)線通信方式傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)RS-485串行總線傳輸給上位機(jī)。PIC18F4620單片機(jī)具有存儲(chǔ)ZigBee協(xié)議棧和用戶(hù)應(yīng)用程序的存儲(chǔ)器。系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)由上述單片機(jī)、電信號(hào)變換電路、CC2420 2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也由相同的單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)器、串行數(shù)據(jù)通信電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。

系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線收發(fā)器接收2.4 GHz信號(hào)并將其解調(diào)，進(jìn)而得到監(jiān)測(cè)傳感器模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器端的單片機(jī)模塊，該模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過(guò)RS485串行通信接口端上傳給監(jiān)控上位機(jī)。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，即上位機(jī)人/機(jī)接口軟件設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)傳感器與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)。

2.2.1 人/機(jī)接口軟件設(shè)計(jì)

采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件，通過(guò)MODBUS通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)上位機(jī)人/機(jī)接口軟件，具體包括實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)(界面按鈕的明暗)，筒倉(cāng)料位數(shù)據(jù)和原料進(jìn)出狀態(tài)，使監(jiān)測(cè)人員能夠直觀地觀察筒倉(cāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況。儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人/機(jī)接口界面如圖3所示。

開(kāi)發(fā)Zigbee協(xié)議棧對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層程序時(shí)，采用MPLAB IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)無(wú)線通信模塊的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。為降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功耗，設(shè)計(jì)中采用需求喚醒模式，設(shè)定間隔時(shí)間，再由監(jiān)測(cè)傳感器采集所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的接收、處理，并向上位機(jī)人/機(jī)接口軟件傳送為主，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)調(diào)控。

圖3 儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人/機(jī)接口界面Fig.3 The interface of gas wireless monitoring system for coal storage silo

2.2.2 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)傳感器模塊的軟件程序可實(shí)現(xiàn)0～5 V電信號(hào)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，通過(guò)設(shè)置中斷，處理采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，調(diào)用ZigBee協(xié)議棧函數(shù)將其通過(guò)2.4 GHz無(wú)線模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)用程序流程如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)用程序流程Fig.4 Module application program of sensor node

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)要完成系統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收，并將其輸送給上位機(jī)等。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，主程序循環(huán)掃描中斷位置相應(yīng)標(biāo)志，并在主函數(shù)中判斷標(biāo)志，再做出相應(yīng)的處理安排，如接收到的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用ZigBee協(xié)議棧函數(shù)對(duì)接收數(shù)據(jù)組織、處理后，再通過(guò)通用串行接口通信程序向上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制流程Fig.5 Node control process of network coordinator

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)基于Zigbee協(xié)議的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，合理解決了有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的技術(shù)弊端，對(duì)筒倉(cāng)內(nèi)相關(guān)工程參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)控具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

(2)采用通用組態(tài)軟件—昆侖通態(tài)開(kāi)發(fā)上位機(jī)人/機(jī)接口軟件，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，有效地利用了工控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。

(3)續(xù)航能力是無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要工作指標(biāo)，將系統(tǒng)各無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成需求喚醒工作模式，有效降低了系統(tǒng)功耗。經(jīng)測(cè)算，該模式下系統(tǒng)各無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)的能耗降幅在40%以上。

3 應(yīng)用與發(fā)展

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)方法制作的原型機(jī)，已在沈煤集團(tuán)雞西堿廠礦熱電廠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并取得了較好的試驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯的實(shí)時(shí)、無(wú)線監(jiān)測(cè)，可有效保證其安全運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于安裝和維護(hù)，人/機(jī)接口軟件界面可視化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于其他同類(lèi)用戶(hù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造具有很好的參考價(jià)值。

儲(chǔ)煤筒倉(cāng)瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和需求喚醒通信方式，極大地降低了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，也有效減少了傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸沖突，對(duì)該技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)踐提供了較好的探索，為ZigBee協(xié)議套件產(chǎn)品的不斷研發(fā)和推廣提供了有力的佐證。ZigBee 技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用前景廣闊，基于ZigBee的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 劉 何.國(guó)投新集二礦選煤廠原煤生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)踐[J].煤礦機(jī)械，2012(10).

[2] 彭忠全.基于Zigbee的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].贛州：江西理工大學(xué)，2011.

[3] 蘭建軍,李 宇,黃俊峰.基于Zigbee的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2009(8)：12-14.

[4] 何飛舟，楊鐵夫，劉 橋.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在交通信息領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)技術(shù)，2010(2)：134-136.

[5] 聞 武.ZigBee協(xié)議在儲(chǔ)煤筒倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].選煤技術(shù)，2011(3)：64-66.

[6] 趙 蕓，張 浩，彭道剛.ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)電一體化，2007(4)：54-56.

Research and application of gas wireless monitoring system of coal storage silo

ZHANG Mo-nan,CUI Jian-wen

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin, Heilongjiang 150001, China)

The characteristics of wireless monitoring technology and its application are explained, designed wireless monitoring system for gas by ZigBee, with a proposal for building coal storage silo monitoring system by wireless monitoring technology, and then introduced hardware implementation, software design, technical features of this system as well as analyzed its use and development prospect.The application shows that combustible gas in coal storage silo can be monitored effectively by this system that is easy to install and maintain, with low power.It is better to upgrading same other monitoring system for reference.

microcontroller; ZigBee protocol; wireless monitoring; coal storage bunker

1001-3571(2015)03-0074-04

TD948.9

A

2015-01-15

10.16447/j.cnki.cpt.2015.03.021

張莫南(1993—)，男，河北省唐山市人，從事測(cè)控技術(shù)與儀器研究。

E-mail：zhang_monan@qq.com Tel: 15133955055