黎　冠　劉永濤　卜祥麗　翟延忠

(華北科技學(xué)院安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　101601)

基于ZigBee的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)

黎冠劉永濤卜祥麗翟延忠

(華北科技學(xué)院安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101601)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)煤礦立井施工測(cè)溫系統(tǒng)不易布線的問題，開發(fā)了基于ZigBee協(xié)議棧BitCloud的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)。系統(tǒng)以ATmega128RFR2作為協(xié)調(diào)器和路由器的控制核心，利用單總線測(cè)溫技術(shù)，構(gòu)成了一個(gè)多路由的樹型網(wǎng)絡(luò)。給出了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)和超低功耗設(shè)計(jì)。實(shí)際凍結(jié)工程項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)溫系統(tǒng)穩(wěn)定，溫度數(shù)據(jù)可靠，無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)壽命大于井壁澆筑施工周期。與傳統(tǒng)測(cè)溫方法相比，該測(cè)溫系統(tǒng)的施工難度進(jìn)一步簡(jiǎn)化，無線組網(wǎng)方式更為靈活。

關(guān)鍵詞：ZigBee單總線Z-StackDS18B20礦井溫度傳感器測(cè)溫系統(tǒng)

0引言

在煤礦井筒凍結(jié)法鑿井施工過程中，混凝土凝固過程釋放大量的熱量，故井壁混凝土溫度監(jiān)控對(duì)井壁施工質(zhì)量起著關(guān)鍵作用[1-2]。傳統(tǒng)礦井凍結(jié)法施工過程中一般多采用溫度傳感器多點(diǎn)測(cè)溫。近年來，出現(xiàn)很多新的研究。文獻(xiàn)[3]利用傳感器的寄生電源供電，實(shí)現(xiàn)了單總線超遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測(cè)溫；文獻(xiàn)[4]采用nRF905射頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)井壁壓力和溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但是需要外接電源，不便施工布線。目前，較為先進(jìn)的井壁測(cè)溫方式是光纖測(cè)溫法[5]。通過光纖拉曼(Raman)散射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)光纖沿線溫度測(cè)量。光纖測(cè)溫不怕電磁干擾、抗腐蝕性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，但設(shè)備成本過高，不能在凍結(jié)井壁施工中廣泛地推廣應(yīng)用[6]。隨著近幾年ZigBee無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)測(cè)控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。

結(jié)合煤礦凍結(jié)工程施工實(shí)際需求，針對(duì)千米凍結(jié)井施工項(xiàng)目，采用單總線測(cè)溫傳感器，采集凍結(jié)壁內(nèi)多點(diǎn)混凝土固化溫度；在凍結(jié)井筒內(nèi)構(gòu)建ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，將各溫度數(shù)據(jù)傳送至井口網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控PC，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)井壁溫度監(jiān)測(cè)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1無線組網(wǎng)方案

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星型、樹型和網(wǎng)狀型3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。根據(jù)凍結(jié)井筒的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)特殊要求。①測(cè)溫傳感器一旦施工安裝后，就不能取出更換，電源采用電池供電。因此，只能在有限的能量供給下，盡可能延長(zhǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的壽命。設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮能量消耗和能量均衡等問題。②對(duì)傳感器采樣速率、響應(yīng)時(shí)間要求不是很高。③MCU的資源有限，不宜進(jìn)行比較復(fù)雜的路由計(jì)算。綜合以上分析，系統(tǒng)采用樹型組網(wǎng)方案。

1.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

井壁ZigBee無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)角色可分為：協(xié)調(diào)器、路由器和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。路由器不僅具有溫度采集的功能，而且具有路由功能，即與附近測(cè)溫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，收集并轉(zhuǎn)發(fā)溫度數(shù)據(jù)，最終將溫度數(shù)據(jù)傳達(dá)至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)將收到的各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，包括實(shí)時(shí)曲線、預(yù)測(cè)曲線以及歷史曲線顯示。同時(shí)，路由器還具有可將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)置報(bào)警等功能。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1測(cè)溫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[9]對(duì)當(dāng)前主流ZigBee芯片的靈敏度、收發(fā)電流等參數(shù)進(jìn)行了比較，根據(jù)結(jié)論，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)均采用Atmel公司的ZigBee芯片ATmega128RFR2實(shí)現(xiàn)，硬件電路結(jié)構(gòu)基本相同。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與數(shù)字溫度傳感器DS18B20通信，獲取溫度數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器。路由器自身在完成測(cè)溫功能的同時(shí)，還需要轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　測(cè)溫節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

測(cè)溫節(jié)點(diǎn)主要由主控芯片ATmega128RFR2、DS18B20溫度傳感器、振蕩芯片748421245、DS18B20驅(qū)動(dòng)電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302和供電單元組成。

2.2主控芯片

2.3溫度采集

本系統(tǒng)選用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，采用寄生電源供電。所謂寄生供電是指DS18B20通過兩線制(數(shù)據(jù)線和地線)與MCU進(jìn)行連接，既用來給傳感器提供電能，又用來傳輸數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用過程中，電源與數(shù)據(jù)線之間通過一個(gè)4.7 kΩ上拉電阻連接。DS18B20內(nèi)置寄生電容，數(shù)據(jù)線高電平期時(shí)儲(chǔ)存電能，低電平期內(nèi)消耗內(nèi)部電容里的能量工作，如此往復(fù)循環(huán)。當(dāng)總線上并聯(lián)傳感器較多時(shí)，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于單總線兩線制測(cè)溫，文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了深入探討，本文不再詳述。

2.4供電單元設(shè)計(jì)

由于無線測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)施過程都是一次性施工，所以每個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和路由器都必須滿足超低功耗、長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的要求，待機(jī)時(shí)間至少是一個(gè)井壁澆筑周期的1.5倍。本設(shè)計(jì)中，選擇ATmega128RFR2超低功耗芯片作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的主控制器。ATmega128RFR2具有較寬的工作電壓范圍(1.8～3.6 VDC)和工作頻率(0～16 MHz)，系統(tǒng)的功耗比其他方案降低了很多。另外，DS18B20工作電壓為 3～5 VDC，采用兩線制寄生電源供電，可大大降低DS18B20的功耗。選用升壓芯片MAX1675，為系統(tǒng)提供+3.3 V電壓。文獻(xiàn)[9]對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的討論，這里借用其結(jié)果進(jìn)行功耗計(jì)算分析。供電單元采用18650鋰電池，根據(jù)測(cè)算結(jié)果，理論上網(wǎng)絡(luò)壽命達(dá)到8個(gè)月。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件控制程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。測(cè)溫節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR5.5，采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程。監(jiān)控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件FameView，實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)。通過Modbus RTU通信協(xié)議組態(tài)，利用串口無線RS-485/232通信接口，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

3.1控制程序

主要程序流程如圖3所示。程序采用模塊化編程的方法。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，并通過路由器擴(kuò)張其網(wǎng)絡(luò)，測(cè)溫節(jié)點(diǎn)就近選擇路由器入網(wǎng)。溫度采集采用兩線制單總線通信方式。DS18B20對(duì)總線操作時(shí)序要求非常嚴(yán)格，編程時(shí)，采用混合式編程，即采取C語(yǔ)言嵌入?yún)R編語(yǔ)言的編程方式，其他子程序采用C語(yǔ)言編寫。

圖3　主程序流程圖

BitCloud[11-12]是Atmel 公司開發(fā)的一個(gè)全功能、專業(yè)級(jí)的嵌入式ZigBee協(xié)議棧，類似TI 的Z-Stack 。它提供了一個(gè)安全可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)，可運(yùn)行在Atmel的MCU及無線收發(fā)器上。區(qū)別于Z-Stack的開源形式，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層次的功能組件模塊，在BitCloud中核心棧內(nèi)容以封裝庫(kù)的形式呈現(xiàn)。

3.2上位機(jī)監(jiān)控

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用工業(yè)組態(tài)軟件FameView7.6.9進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、Modbus協(xié)議通信驅(qū)動(dòng)組態(tài)以及數(shù)據(jù)歸檔處理。畫面顯示可以顯示當(dāng)前各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，還可以繪制出未來指定時(shí)間的預(yù)測(cè)曲線。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了操作人員權(quán)限設(shè)置、歷史趨勢(shì)曲線、歷史數(shù)據(jù)查詢以及報(bào)表打印等功能。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1測(cè)試實(shí)驗(yàn)

基于ZigBee的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)在某煤礦風(fēng)井施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試過程主要有測(cè)溫電纜敷設(shè)和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的安裝。無線測(cè)溫系統(tǒng)分布如圖4所示。

圖4　無線測(cè)溫系統(tǒng)分布圖

測(cè)試重點(diǎn)是各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)能否將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送至路由器，路由器將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器最終將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。上位機(jī)放置在地面監(jiān)控機(jī)房，協(xié)調(diào)器安裝在凍結(jié)井口。第1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與測(cè)溫協(xié)調(diào)器的距離為200 m，第2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與第1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的距離為220 m，第3個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與第2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的距離為180 m。每個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)連接一根測(cè)溫電纜，電纜上并聯(lián)連接5～12個(gè)DS18B20溫度傳感器，共計(jì)40個(gè)DS18B20。

4.2低功耗設(shè)計(jì)與分析

由于是采用電池供電，系統(tǒng)采用超低功耗模式運(yùn)行，即采用間歇式測(cè)溫。測(cè)試節(jié)點(diǎn)連接了8個(gè)DS18B20，設(shè)置測(cè)溫時(shí)間間隔為5 s，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔5 s采集一次溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)搜索一次路由，其他時(shí)間進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。供電單元電池容量為2 200 mA。節(jié)點(diǎn)實(shí)際耗電情況如表1所示。測(cè)試開始后，每天測(cè)量電池的能量消耗情況，表1給出了每隔7天的電池電壓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)運(yùn)行36天后，電池電壓有0.13 V的壓降。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，可以推算出在100%滿電量情況下，該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)可以正常運(yùn)行170天左右。若時(shí)間間隔設(shè)置為12 s，則該測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間能夠達(dá)到360天，滿足凍結(jié)井壁施工周期的要求。

表1　節(jié)點(diǎn)實(shí)際耗電情況

從開始澆筑混凝土，到敷設(shè)測(cè)溫電纜48 h后的溫度數(shù)據(jù)曲線圖，如圖5所示。

圖5　測(cè)溫節(jié)點(diǎn)48 h溫度曲線圖

圖5中，從4～8號(hào)測(cè)溫傳感器的溫度數(shù)據(jù)曲線可以看出，井壁混凝土水化熱釋放溫度曲線符合國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，省去了通信電纜和電源電纜敷設(shè)，布線施工更加方便，為進(jìn)一步研究?jī)鼋Y(jié)井溫度場(chǎng)分布規(guī)律、凍結(jié)井壁混凝土水化熱釋放規(guī)律以及井壁災(zāi)害預(yù)防提供有效的數(shù)據(jù)支持。

5結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)當(dāng)前煤礦立井凍結(jié)井壁施工測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的超低功耗凍結(jié)井壁無線測(cè)溫系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)協(xié)調(diào)器、路由器和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)軟硬件、超低功耗模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)與測(cè)試。相比過去的測(cè)溫方法，該測(cè)溫系統(tǒng)的施工更加簡(jiǎn)單，無線組網(wǎng)方式更為靈活。在實(shí)際工程應(yīng)用中，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及低功耗性能。無線測(cè)溫系統(tǒng)的運(yùn)行壽命能夠滿足凍結(jié)井施工周期的需要，可有效地實(shí)現(xiàn)凍結(jié)井施工過程中井壁混凝土溫度數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。本次測(cè)試只測(cè)試了幾個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)、幾十個(gè)傳感器，還不能滿足整個(gè)井壁測(cè)溫的需求。如何擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，延長(zhǎng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命將是下一步的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊國(guó)強(qiáng)，姜國(guó)靜，高偉，等.超厚粘土層凍結(jié)壁與井壁溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(3)：35-38.

[2] 經(jīng)來旺，高全臣，徐輝東,等.凍結(jié)壁融化階段井壁溫度應(yīng)力研究[J].巖土力學(xué),2004，25(9):1357-1362.

[3] 翟延忠，趙玉明.深井地層凍結(jié)一線總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011,39(11)：20-22.

[4] 姚敏，劉淮霞.礦井井壁壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012，33(12)：242-244.

[5] 于海鷹，李琪，索琳,等.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)綜述[J].光學(xué)儀器，2013,35(5)：90-94.

[6] 張友能，胡業(yè)林，鄭曉亮,等.煤礦井壁凍結(jié)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].光器件，2010,34(7)：38-41.

[7] 孫弋，孫媛媛，孫柒零，等.基于ZigBee的便攜式無線橋梁健康狀況監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 2010,18(1)：11-13.

[8] 高鍵，方濱，尹金玉，等.ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16(12):1912-1914.

[9] 葉國(guó)欣，吳忻生，馮太合.基于 ZigBee 的超低功耗電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013,13(32)：9719-9723.

[10]宮學(xué)庚，韓毅，王雪,等.基于單總線的電池包多點(diǎn)測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010,32(8)：130-133.

[11]王振東.基于BitCloud的無線監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽(yáng)：中國(guó)科學(xué)院研究生院(沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所),2014.

[12]王振東,蒲寶明 ,閆慧文.基于BitCloud的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2014(6):74-78.

ZigBee-based Wireless Temperature Measurement System with Ultra-low Power Consumption for Freezing Shaft Wall

Abstract：Aiming at the difficult wiring problem of temperature measurement system in construction of traditional coalmine vertical shaft,the wireless temperature measurement system with low power consumption based on ZigBee protocol stack BitCloud is developed for freezing shaft wall.With ATmega128RFR2 as the control core of coordinator and router,a tree type network with multiple routings is constituted by using the 1-wire bus temperature measurement technology.The designs of system scheme,hardware,software and low power consumption for temperature measurement node are given.The test results in actual freezing engineering project show that this temperature measurement system is stable,the temperature data are reliable,and the life cycle of wireless temperature measuring network is longer than the pouring construction period of shaft wall.Comparing with traditional temperature measurement methods,the difficulty of construction of this temperature measurement system is further simplified,and the wireless networking is more flexible.

Keywords:ZigBee1-wire busZ-StackDS18B20MineTemperature sensorTemperature measurement system

中圖分類號(hào)：TH7;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605012

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：3142014073、3142014126)。

修改稿收到日期：2015-08-15。

第一作者黎冠(1981-)，男，2008年畢業(yè)于天津理工大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)與智能化方向的研究。