張莫南，崔建文

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用

張莫南，崔建文

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

闡述了無線監(jiān)測技術(shù)的特點及其應用方法，提出了基于無線監(jiān)測技術(shù)的儲煤筒倉瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法，設(shè)計出基于ZigBee的瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)、軟件設(shè)計、技術(shù)特點，并分析了其應用情況和發(fā)展前景。瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)投入使用后，實現(xiàn)了對儲煤筒倉可燃氣體的有效監(jiān)測，且其功耗低，易于安裝和維護，可擴展性強，對其他同類用戶的監(jiān)測系統(tǒng)升級改造具有較好的參考價值。

單片機；ZigBee協(xié)議；儲煤筒倉；無線監(jiān)測

儲煤筒倉廣泛用于火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、焦化廠、煤炭轉(zhuǎn)運站等場所，但筒倉儲煤過程中存在危險因素。如果煤炭長期在筒倉內(nèi)存放，煤炭溫度和瓦斯?jié)舛染蜁?，當溫度、濃度達到極限時，極有可能引發(fā)自燃甚至爆炸等重大生產(chǎn)事故[1]。實際生產(chǎn)過程中，可通過對筒倉的重要工程參數(shù)(如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛取熿F濃度)監(jiān)測、分析，及時對出現(xiàn)的異常情況采取正確的應對措施，確保其安全運行?，F(xiàn)有儲煤筒倉監(jiān)測系統(tǒng)以檢測、集中控制居多，存在現(xiàn)場控制總線結(jié)構(gòu)復雜、維護升級困難等弊端，新建筒倉共用原監(jiān)測網(wǎng)絡時的改造難度也很大。

基于無線通信技術(shù)開發(fā)的儲煤筒倉瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，可對筒倉內(nèi)煤炭溫度、瓦斯?jié)舛葘崟r檢測，并將檢測信號和超聲波料位計輸出信號一并上傳至生產(chǎn)監(jiān)控中心，實現(xiàn)對溫度、濃度的及時和快速調(diào)控，有效地解決目前儲煤筒倉使用管理中存在的安全問題。綜合無線通信系統(tǒng)的工業(yè)應用實例，提出以Zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計儲煤筒倉瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信架構(gòu)，開發(fā)出瓦斯無線監(jiān)測網(wǎng)絡的傳感器和協(xié)調(diào)器節(jié)點，構(gòu)建低能耗、高可靠性的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 無線監(jiān)測技術(shù)簡介

國內(nèi)外許多企業(yè)在遠程測控系統(tǒng)的開發(fā)和應用研究上一直進行著不懈地努力，尤其是隨著無線通信技術(shù)的不斷革新，無線監(jiān)測系統(tǒng)的應用得到普遍認可。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)與控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線監(jiān)測系統(tǒng)相對于有線監(jiān)測系統(tǒng)突顯出巨大的應用活力[2]。工業(yè)無線測控技術(shù)將是繼現(xiàn)場總線之后控制系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點應用技術(shù)之一，將使工業(yè)測控系統(tǒng)的建設(shè)成本進一步下降，應用范圍更加廣泛。

基于ZigBee的無線通信模塊無需考慮節(jié)點的能量損耗，其與傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)等結(jié)合后，可組成實用價值非常高的無線監(jiān)測系統(tǒng)[3]?；赯igBee的無線監(jiān)測系統(tǒng)的推廣、應用空間廣闊，將會使一些產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的升級改造成本大大降低，具有良好的經(jīng)濟效益[4]。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)緊湊，所需硬件資源相對較小，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)點堆棧、協(xié)調(diào)器外擴隨機存儲器。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 儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

根據(jù)監(jiān)測點的類型和分布情況，構(gòu)建星型拓撲結(jié)構(gòu)的瓦斯無線監(jiān)測網(wǎng)絡，包含用于儲煤筒倉工程參數(shù)監(jiān)測的傳感器節(jié)點和實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)器節(jié)點[5-6]。由傳感器節(jié)點將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過RS485數(shù)據(jù)線傳送至上位機。儲煤筒倉瓦斯數(shù)據(jù)監(jiān)測的無線傳輸系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

采用PIC18F4620單片機和CC2420 2.4 GHz無線收發(fā)器分別開發(fā)儲煤筒倉監(jiān)測傳感器節(jié)點和Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點，傳感器節(jié)點用于接收上位機的問詢指令，基于ZigBee協(xié)議將監(jiān)測信息實時以無線通信方式傳輸至網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過RS-485串行總線傳輸給上位機。PIC18F4620單片機具有存儲ZigBee協(xié)議棧和用戶應用程序的存儲器。系統(tǒng)中的遠程監(jiān)測傳感器節(jié)點由上述單片機、電信號變換電路、CC2420 2.4 GHz無線收發(fā)器構(gòu)成，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點也由相同的單片機、無線收發(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)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點通過無線收發(fā)器接收2.4 GHz信號并將其解調(diào)，進而得到監(jiān)測傳感器模塊發(fā)送過來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器端的單片機模塊，該模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，再通過RS485串行通信接口端上傳給監(jiān)控上位機。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分，即上位機人/機接口軟件設(shè)計，監(jiān)測傳感器與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點的無線通信模塊設(shè)計。

2.2.1 人/機接口軟件設(shè)計

采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件，通過MODBUS通信協(xié)議，開發(fā)上位機人/機接口軟件，具體包括實時顯示系統(tǒng)各測量節(jié)點的通信狀態(tài)(界面按鈕的明暗)，筒倉料位數(shù)據(jù)和原料進出狀態(tài)，使監(jiān)測人員能夠直觀地觀察筒倉監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實時工況。儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)人/機接口界面如圖3所示。

開發(fā)Zigbee協(xié)議棧對應的應用層程序時，采用MPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)無線通信模塊的應用軟件，實現(xiàn)監(jiān)測傳感器節(jié)點與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點的無線數(shù)據(jù)傳輸。為降低監(jiān)測系統(tǒng)功耗，設(shè)計中采用需求喚醒模式，設(shè)定間隔時間，再由監(jiān)測傳感器采集所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點；協(xié)調(diào)器節(jié)點的應用程序設(shè)計主要以實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的接收、處理，并向上位機人/機接口軟件傳送為主，最終實現(xiàn)對儲煤筒倉數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和及時調(diào)控。

圖3 儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)人/機接口界面Fig.3 The interface of gas wireless monitoring system for coal storage silo

2.2.2 無線通信模塊設(shè)計

監(jiān)測傳感器模塊的軟件程序可實現(xiàn)0～5 V電信號到監(jiān)測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，通過設(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2.4 GHz無線模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器節(jié)點模塊應用程序流程如圖4所示。

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

網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點要完成系統(tǒng)星型網(wǎng)絡的構(gòu)建、監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收，并將其輸送給上位機等。具體實現(xiàn)時，主程序循環(huán)掃描中斷位置相應標志，并在主函數(shù)中判斷標志，再做出相應的處理安排，如接收到的測量數(shù)據(jù)，利用ZigBee協(xié)議棧函數(shù)對接收數(shù)據(jù)組織、處理后，再通過通用串行接口通信程序向上位機監(jiān)測程序傳送測量數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點控制流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點控制流程Fig.5 Node control process of network coordinator

2.3 技術(shù)特點

儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點：

(1)基于Zigbee協(xié)議的無線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對儲煤筒倉的遠程監(jiān)測，合理解決了有線監(jiān)測系統(tǒng)存在的技術(shù)弊端，對筒倉內(nèi)相關(guān)工程參數(shù)的實時檢測和調(diào)控具有較高的應用價值。

(2)采用通用組態(tài)軟件—昆侖通態(tài)開發(fā)上位機人/機接口軟件，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)周期，有效地利用了工控系統(tǒng)開發(fā)工具。

(3)續(xù)航能力是無線監(jiān)測系統(tǒng)的重要工作指標，將系統(tǒng)各無線通信節(jié)點設(shè)計成需求喚醒工作模式，有效降低了系統(tǒng)功耗。經(jīng)測算，該模式下系統(tǒng)各無線通信節(jié)點的能耗降幅在40%以上。

3 應用與發(fā)展

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計方法制作的原型機，已在沈煤集團雞西堿廠礦熱電廠通過現(xiàn)場測試，并取得了較好的試驗效果，實現(xiàn)了對儲煤筒倉瓦斯的實時、無線監(jiān)測，可有效保證其安全運行?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低，可擴展性強，易于安裝和維護，人/機接口軟件界面可視化強等優(yōu)點，對于其他同類用戶的監(jiān)測系統(tǒng)升級改造具有很好的參考價值。

儲煤筒倉瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)采用拓撲結(jié)構(gòu)和需求喚醒通信方式，極大地降低了現(xiàn)場監(jiān)測傳感器節(jié)點的功耗，也有效減少了傳感器節(jié)點與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸沖突，對該技術(shù)的工程應用實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、應用前景廣闊，基于ZigBee的無線監(jiān)測系統(tǒng)將會得到更廣泛的應用。

[1] 劉 何.國投新集二礦選煤廠原煤生產(chǎn)集中控制系統(tǒng)升級改造實踐[J].煤礦機械，2012(10).

[2] 彭忠全.基于Zigbee的無線測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].贛州：江西理工大學，2011.

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

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

[5] 聞 武.ZigBee協(xié)議在儲煤筒倉監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].選煤技術(shù)，2011(3)：64-66.

[6] 趙 蕓，張 浩，彭道剛.ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)的應用[J].機電一體化，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，從事測控技術(shù)與儀器研究。

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