安徽理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 劉奧川 詹 琳

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礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知與控制系統(tǒng)

安徽理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 劉奧川 詹 琳

【摘要】本文完成了壓風機感知與控制系統(tǒng)的方案設(shè)計、硬件與軟件設(shè)計實現(xiàn)。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實時感知壓風機的溫度，壓力，并控制壓風機的運轉(zhuǎn)。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】壓風機；無線傳感器；ZigBee

0　引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于環(huán)境和人力的限制，企業(yè)也逐漸借助于網(wǎng)絡(luò)來采集重要信息和控制機器運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的設(shè)備感知系統(tǒng)大多數(shù)采用預(yù)先布線，通過有線的方式進行現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的工作。傳統(tǒng)的設(shè)備感知與控制系統(tǒng)主要存在不足是很依賴人。需要人工現(xiàn)場監(jiān)測與控制，一方面導(dǎo)致人力的的浪費且工作效率低，一般設(shè)備工作的地方環(huán)境都很惡劣，由噪聲污染、空氣污染等對人體傷害很大，工作人員可能由于疏忽等問題而不能及時發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。

壓風機是煤礦重要設(shè)備之一，主要輸送壓縮空氣到井下，為風鉆、噴漿機等風動設(shè)備提供動力。因此壓風機對于整個煤礦的運轉(zhuǎn)起著重要作用。在過去壓風機機房通常是人工巡查，很難及時發(fā)現(xiàn)問題，另一方面壓風機運轉(zhuǎn)產(chǎn)熱很大、噪聲也很大，人員不能長時間待在里面。所以通過無線網(wǎng)絡(luò)感知壓風機設(shè)備的溫度、壓力等參數(shù)，及時控制壓風機運轉(zhuǎn)是最佳選擇。

1　ZigBee協(xié)議

1.1ZigBee協(xié)議特點

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域。

1.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和網(wǎng)絡(luò)傳感器三種節(jié)點組成。每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)都至少需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，這類節(jié)點需要較多的存儲能力和計算能力，負責分配地址、組建網(wǎng)絡(luò)、維護和管理網(wǎng)絡(luò)等。路由功能的節(jié)點，小范圍組網(wǎng)，擴展了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍。終端節(jié)點只具備感知和傳輸信息到上層節(jié)點的功能。

ZigBee協(xié)議可以自組織互聯(lián)，支持星形、簇狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

星形網(wǎng)絡(luò)是最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只有終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器構(gòu)成，所有的終端節(jié)點都與唯一一個協(xié)調(diào)器節(jié)點通信呈現(xiàn)輻射狀。簇型網(wǎng)絡(luò)是有多個星形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可以實現(xiàn)“多跳”信息傳輸，但由于傳輸路徑局限性也不是很好的適應(yīng)環(huán)境變化。在網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都具有路由功能，可以實時選擇合適的通信路線，使整個網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性。

2　無線節(jié)點的設(shè)計

CC2530是用于ZigBee應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。它擁有業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和其他強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，模式轉(zhuǎn)換時間短，使得它尤其適應(yīng)環(huán)境惡劣、超低功率要求的煤礦遠程感知與控制系統(tǒng)。

由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，路由器處理數(shù)據(jù)工作量也比較大應(yīng)采用固定電源供電，其他感知設(shè)備只采用電池供電就可以。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232芯片與pc數(shù)據(jù)通信，增加按鍵模塊以方便發(fā)送控制命令。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的顯示模塊不僅可以用來顯示節(jié)點加入和退出網(wǎng)絡(luò)的信息，還提供了用戶和傳感器網(wǎng)絡(luò)的交互頁面。

3　系統(tǒng)設(shè)計

3.1壓風機檢測

壓風機的種類很多，本系統(tǒng)采用的壓風機的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1

該壓風機需要檢測的參數(shù)有：電機電壓、電流，一級排氣壓力、溫度，二級排氣壓力、溫度，風包壓力、溫度，水溫、水壓，油溫、油壓，總排氣量等。

主要監(jiān)測參數(shù)范圍如下：

1、2級排氣溫度0～200℃, 報警； 冷卻水溫度0～200℃；電機溫度0～200℃；風包溫度0～110℃；油溫0～70℃；1級排氣壓力0～0.60MPa；2級排氣壓力0～1.0MPa冷卻水壓力0～2.50MPa；潤滑油壓力0～0.60MPa；

當終端節(jié)點檢測到的信息超過這個范圍則報警。

本系統(tǒng)可是實現(xiàn)壓風機及相關(guān)冷卻系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)門閥的自動聯(lián)動控制，按程序執(zhí)行啟動/停止命令，提高操作系統(tǒng)的準確性和安全性。

3.2數(shù)據(jù)處理

壓風機是煤礦井下的動力源，運行情況非常影響井下的正常運轉(zhuǎn)和安全性，所以為了提高檢測的可靠性，本系統(tǒng)采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)來采集壓風機的運行參數(shù)。

感知節(jié)點是定時采集數(shù)據(jù)，在時間間隔內(nèi)進入休眠省電模式，定時器中斷發(fā)生后將采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給父節(jié)點。最后所有節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)都會匯集到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將搜集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C機，PC機將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫進行保存和備份。上位機采用windows操作系統(tǒng)，軟件采用C#來實現(xiàn)，使用Access2003數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)。

4　結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了礦山物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了壓風機的遠程在線實時監(jiān)測。系統(tǒng)采用了目前比較流行的ZigBee協(xié)議構(gòu)建感知網(wǎng)絡(luò)來采集壓風機的運行參數(shù)。為了礦山物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展又進了一步，在保證壓風機運轉(zhuǎn)的安全性和可靠性的同時，達到無人現(xiàn)場值守的生產(chǎn)模式。

參考文獻

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