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        基于Zigbee技術(shù)的煤礦井下通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

        2016-09-29 11:41:51
        科技視界 2016年20期

        宗朝陽+王成

        【摘 要】針對目前煤礦井下通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、可移植性差等缺點,筆者基于Zigbee 技術(shù),設(shè)計了煤礦井下通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需在井下鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路,通過Zigbee 傳輸協(xié)議,在地面上完成對井下帶式傳送機整個運行過程的監(jiān)測顯示、控制、保護、報警和管理。

        【關(guān)鍵詞】Zigbee;CC2530;通風(fēng)機;監(jiān)控系統(tǒng)

        0 引言

        通風(fēng)機作為煤礦生產(chǎn)的輔助設(shè)備,在煤炭的生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的作用。由于礦業(yè)生產(chǎn)屬于高危行業(yè),因此在煤礦的生產(chǎn)過程中,安全是第一位的,煤礦的安全監(jiān)控便是其中重要的一部分。傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜、線路易老化、設(shè)備拆裝繁瑣,不利于監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展,加之煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣,因此煤礦對監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性的要求較高。Zigbee技術(shù)[1]作為一種新興的無線通信技術(shù),其定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線通信協(xié)議,很好的解決了井下繁雜的布線問題,為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。

        1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

        基于Zigbee技術(shù)的煤礦井下帶式傳送機監(jiān)控系統(tǒng)包括地面監(jiān)控系統(tǒng)和井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩大部分[2-3]。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要是由監(jiān)控主機和工業(yè)以太網(wǎng)組成,井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個Zigbee終端節(jié)點組成,Zigbee終端節(jié)點連接有多種傳感器用于對通風(fēng)機運行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及傳感器選型

        2.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

        Zigbee 終端節(jié)點主要由TI公司的CC2530芯片作為內(nèi)核,并配備數(shù)據(jù)采集模塊、高頻天線模塊、電源供電模塊、AD轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、閃存控制器、DMA控制器、4個定時器、AES協(xié)議處理器、無線電控制模塊等外設(shè)。由于CC2530芯片不僅是一款無線發(fā)射芯片,還具有一定的控制功能,可完成本設(shè)計所需全部功能,因此無需外加控制芯片便可實現(xiàn)對帶式傳送機運行數(shù)據(jù)的實時采集和發(fā)送。

        2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

        Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐,既要負(fù)責(zé)向監(jiān)控主機發(fā)送數(shù)據(jù),實現(xiàn)與監(jiān)控主機的通信,又要對終端節(jié)點發(fā)送過來的信息進行匯總過濾,完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建。Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點選用TI公司的CC2530芯片作為其內(nèi)核,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和傳輸,它由LCD顯示模塊、按鍵模塊、報警模塊、電源供電模塊、串口模塊、高頻天線模塊及 JTAG 測試接口模塊等7 部分組成。在系統(tǒng)運行過程中,若需要對預(yù)先的一些設(shè)置進行改變,可通過按鍵模塊實現(xiàn)。報警模塊可實現(xiàn)對故障信息的報警功能,以提醒監(jiān)控人員。

        2.3 傳感器選型

        參數(shù)采集模塊根據(jù)實際測量參數(shù)選擇傳感器或相應(yīng)測量裝置,采集信息包括通風(fēng)機風(fēng)量、負(fù)壓、風(fēng)速、軸承溫度、軸承振動,電動機電流、電壓、繞組溫度等參數(shù)。其中,通風(fēng)機軸承振動的采集選用 CZ891一體化振動變送器,將振動傳感器和信號調(diào)節(jié)電路集成為一體,能將現(xiàn)場采集的振動信號直接變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號輸出。

        通風(fēng)機風(fēng)量和通風(fēng)機負(fù)壓的測量均采用 PTG501 負(fù)壓傳感器,通過擠壓壓敏原件,改變壓力采集電路中的電阻值,將被測量對象的壓力轉(zhuǎn)換為 4~20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號并傳送給終端節(jié)點。

        通風(fēng)機風(fēng)速的測量采用GSC200型速度傳感器。正常時,GSC200型速度傳感器輸出端輸出高電平信號,當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)定值25%時,經(jīng)過10~15秒延時,速度傳感器輸出端輸出低電平信號并傳送給終端節(jié)點。

        通風(fēng)機軸承和電動機繞組溫度的測量采用Mircro Chip公司的數(shù)字溫度傳感器 TC77,該溫度傳感器內(nèi)置12位ADC轉(zhuǎn)換模塊,溫度分辨率可達0.0625℃,確保了被測對象的精準(zhǔn)檢測。

        電動機的電壓和電流參數(shù)的測量采用 JD1940-BS4I 型電量變送器,輸入信號源可以是電壓,也可以是電流,該電量變送器可以準(zhǔn)確檢測這兩種信號,滿足實際測量需求。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

        為保證終端節(jié)點軟件設(shè)計部分的可靠性和完備性,終端節(jié)點的軟件實現(xiàn)以Z-stack協(xié)議棧為基礎(chǔ),采用電池供電的工作方式,減少數(shù)據(jù)采集頻率,降低了節(jié)點的能耗。節(jié)點采用信息采集-休眠-定時喚醒的循環(huán)工作模式(每60s喚醒一次)采集帶式傳送機的運行數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。在收發(fā)模式下工作時,系統(tǒng)的工作電流為15mA~17.5mA。在轉(zhuǎn)換為休眠模式后,節(jié)點處于低功耗的待機狀態(tài),工作電流僅為 1.25uA,大大降低了終端節(jié)點的能耗,滿足了終端節(jié)點長時間工作的要求,提高了終端節(jié)點的穩(wěn)定性。通過測試可得終端節(jié)點在一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)的實驗數(shù)據(jù),根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算終端節(jié)點的電池壽命長達兩年之久。

        系統(tǒng)運行時,首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化,進行I/O端口、AD轉(zhuǎn)換、定時器等硬件模塊的初始化和網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)號、喚醒時延、協(xié)議棧等軟件設(shè)置的初始化;其次根據(jù)配置文件要求檢測網(wǎng)絡(luò),綁定網(wǎng)絡(luò)并接受網(wǎng)絡(luò)地址;隨后進入數(shù)據(jù)采集階段,執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序。節(jié)點周期性的采集帶式傳送機的運行數(shù)據(jù),并將信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點,然后進入休眠狀態(tài),循環(huán)往復(fù),從而實現(xiàn)了對帶式傳送機運行數(shù)據(jù)的實時采集。

        3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

        協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的主要部分,在監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)控制和管理帶式傳送機上的各個子節(jié)點。

        系統(tǒng)運行時,首先執(zhí)行初始化程序,各協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后會自動組建一個網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)啟動建立成功后,終端節(jié)點會將自己綁定到協(xié)調(diào)器節(jié)點上,而此時協(xié)調(diào)器節(jié)點必須處于允許綁定的狀態(tài)。成功綁定后,各終端節(jié)點會周期性的采集帶式傳送帶的運行數(shù)據(jù),并以報告命令的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點,整個過程的通信均依靠ZigBee 技術(shù)完成。協(xié)調(diào)器節(jié)點在接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包后會通過串口傳送到監(jiān)控主機,從而實現(xiàn)對帶式傳送機運行狀況的實時監(jiān)控。

        4 總結(jié)

        基于Zigbee 技術(shù)設(shè)計的煤礦井下通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng),可以將井下通風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)實時上傳到監(jiān)控主機中,實現(xiàn)了對通風(fēng)機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有無線化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的特點,能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測通風(fēng)機的實時運行狀態(tài)參數(shù),大大減少了巡檢人員的勞動強度,降低了由通風(fēng)機故障帶來的煤礦安全隱患。因此具有一定的參考使用價值,值得在礦產(chǎn)行業(yè)推廣和使用。

        【參考文獻】

        [1]韓濤,黃友銳,曲立國.基于Zigbee的煤礦風(fēng)機無線監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].煤礦機械,2014,35(1):218-220.

        [2]焦尚彬,宋丹,張青.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦檢測系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報,2013,27(5):436-442.

        [3]張曉華,張文芳,石如冬.基于Zigbee的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].控制工程,2013,20(S1):1-4.

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