任明月　孟國(guó)營(yíng)

【摘 要】目前礦用鋼絲繩探傷傳感器大都采用有線的方式傳輸信號(hào)，這種方法布線復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)這種問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的礦用鋼絲繩無(wú)線探傷傳感器。研究礦用鋼絲繩探傷傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸，將傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，并最終在上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的終端顯示、分析、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩在線的損傷定量檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】鋼絲繩；ZigBee；無(wú)線；損傷檢測(cè)

Research on Data Acquisition and Transmission Technology of Mine Wire Rope Detection Sensor Based on ZigBee

REN Ming-Yue MENG Guo-ying

（China University of Mining & Technology〈Beijing〉，Beijing 100083，China）

【Abstract】At present，most of the mining wire rope detection sensors use wired way to transmit signals.In order to solve this problem，this paper designs a kind of wireless detection sensor for mine wire rope based on ZigBee.Study on the wire rope detection sensor data acquisition and transmission，monitoring data will be collected by the sensor for wireless transmission through the ZigBee module，and finally to the terminal monitoring data display，analysis， storage in PC，to realize the damage of wire rope online quantitative detection.

【Key words】Wire rope；ZigBee；Wireless；Damage detection

0 前言

礦井提升設(shè)備負(fù)責(zé)完成礦井運(yùn)輸煤炭和矸石、投放設(shè)備、搭載人員等工作。鋼絲繩作為提升系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在我國(guó)煤炭行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。由于鋼絲繩長(zhǎng)期在復(fù)雜環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生各種類(lèi)型的缺陷或損傷，進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致事故的發(fā)生[1]，因此開(kāi)展鋼絲繩損傷檢測(cè)的理論與技術(shù)研究勢(shì)在必行。目前使用的鋼絲繩探傷傳感器大都采用有線傳輸方式，這種方式布線復(fù)雜，過(guò)多的線路對(duì)檢測(cè)過(guò)程存在干擾，長(zhǎng)距離的傳感器接線電阻過(guò)大導(dǎo)致傳輸距離受限。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國(guó)際上備受關(guān)注的熱門(mén)研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)和分布式信息處理等技術(shù)，可以通過(guò)多種集成化的微傳感器完成對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集與感知。這些信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端。在多種無(wú)線通信方式中，ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低傳輸速率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，適用于短距離的無(wú)線通信，并能嵌入到各種通信設(shè)備中去[2]。所以本文設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)對(duì)礦用鋼絲繩探傷傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了鋼絲繩無(wú)線探傷傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由上位機(jī)、協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)采集器和鋼絲繩探傷傳感器組成。鋼絲繩探傷傳感器主要是采集監(jiān)測(cè)信號(hào)，將采集的信號(hào)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器通過(guò)串口送到上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 系統(tǒng)主要硬件

2.1 數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊由CC2530中央處理部分、CC2591單元、數(shù)據(jù)采集模塊、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源部分和LED等組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

該模塊的中央處理器采用的是TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，它集微處理器和無(wú)線收發(fā)模塊為一體，其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、8KB RAM 和256KB Flash ROM。CC2530的應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，只需要外接少數(shù)的電路即可實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镃C2530自身帶有射頻功能，通常對(duì)于小功率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)不需要外加額外的射頻芯片，所以CC2530外加一些簡(jiǎn)單電路即可實(shí)現(xiàn)射頻功能。

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

目前，在基于漏磁檢測(cè)方法的鋼絲繩損傷檢測(cè)設(shè)備中，通常采用霍爾元件作為檢測(cè)元件。采用霍爾元件的檢測(cè)傳感器最大優(yōu)點(diǎn)是體積較小，有利于對(duì)小間隙空間磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，且輸出信號(hào)與檢測(cè)速度無(wú)關(guān)，因而被廣泛應(yīng)用。

本文采用霍爾元件對(duì)鋼絲繩進(jìn)行探傷檢測(cè)，其檢測(cè)原理屬于漏磁檢測(cè)法?；魻栐胖迷阡摻z繩周向表面附近，可感應(yīng)鋼絲繩缺陷漏磁場(chǎng)軸向或徑向分量，并將漏磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。其原理是在霍爾元件兩側(cè)通一控制電流I，被檢鋼絲繩經(jīng)磁化后，在缺陷處會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)B，該磁場(chǎng)作用在霍爾元件上時(shí)會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH。

VH=KHIBcos？茲（1）

式（1）中KH為霍爾元件的靈敏度系數(shù)，I為輸入的控制電流，？茲為磁感應(yīng)強(qiáng)度B與霍爾元件平面法向量之間的夾角。其中穿過(guò)霍爾元件的磁場(chǎng)B主要由兩部分組成，一部分是被檢鋼絲繩段無(wú)缺陷存在時(shí)其表面的漏磁場(chǎng)B1，當(dāng)鋼絲繩被磁化后，該漏磁場(chǎng)是不能避免存在的，B1主要由兩磁極間的空氣耦合磁場(chǎng)和鋼絲繩繩股結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的股波、絲波漏磁場(chǎng)構(gòu)組成；另一部分為被檢鋼絲繩存在缺陷時(shí)，缺陷附近產(chǎn)生的附加漏磁場(chǎng)B2，該磁場(chǎng)與鋼絲繩缺陷的寬度、缺陷在繩股中的位置、以及霍爾元件與缺陷之間的相對(duì)距離等因素有關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，在勵(lì)磁裝置和鋼絲繩型號(hào)一定時(shí)，B1為常量，其產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)零去掉，傳感器輸出的霍爾電勢(shì)大小及其變化主要是由B2決定，因此由霍爾電勢(shì)便可測(cè)得鋼絲繩缺陷處的漏磁場(chǎng)，根據(jù)該漏磁場(chǎng)判斷鋼絲繩的缺陷狀況[1]。

2.3 其他模塊設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)中添加CC2591射頻芯片，能夠提高輸出功率和改善接收機(jī)的增益，且大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)；外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元主要用來(lái)存儲(chǔ)終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)；LED單元是用來(lái)顯示節(jié)點(diǎn)是否加入或退出網(wǎng)絡(luò)；為降低功耗，該節(jié)點(diǎn)中的電源通常采用兩節(jié)電池實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee開(kāi)發(fā)環(huán)境

IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱(chēng)EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是專(zhuān)業(yè)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于不同的微處理器，EW能夠提供同樣直觀的用戶界面。EW包括嵌入式的C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、編輯器、庫(kù)管理員、連接定位器、C-SPY調(diào)試器及項(xiàng)目管理器。其編譯器生成的代碼緊湊、優(yōu)化，能夠節(jié)省硬件資源，降低產(chǎn)品成本，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

3.2 ZigBee協(xié)議棧工作流程

Z-Stack的工作流程：系統(tǒng)的初始化，為OS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）的運(yùn)行做好準(zhǔn)備，其主要包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、與配置系統(tǒng)的定時(shí)器、檢測(cè)芯片的工作電壓、以及芯片的各個(gè)硬件模塊等；當(dāng)系統(tǒng)的初始化完成后，開(kāi)始運(yùn)行操作系統(tǒng)的入口程序，然后將控制權(quán)完全交給操作系統(tǒng)，執(zhí)行操作系統(tǒng)，進(jìn)入任務(wù)循環(huán)，比較任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，最后調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)來(lái)處理該任務(wù)的事件[5]。

3.3 ZigBee協(xié)議棧實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是Z-Stack協(xié)議棧需要依存的運(yùn)行環(huán)境，Z-Stack的main函數(shù)總共做了兩項(xiàng)工作：一項(xiàng)是系統(tǒng)的初始化，即啟動(dòng)代碼對(duì)硬件系統(tǒng)及軟件架構(gòu)所需的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化；另一項(xiàng)是開(kāi)始執(zhí)行OS實(shí)體，就是進(jìn)入OSAL任務(wù)的主循環(huán)，比較任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)，完成相應(yīng)的操作。

Z-Stack協(xié)議棧是對(duì)ZigBee的具體實(shí)現(xiàn)，在基于Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，用戶只用實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序框架即可。Z-Stack中使用了操作系統(tǒng)的概念，程序中為OSAL層。OSAL層與Z-Stack是互相獨(dú)立的，但是整個(gè)Z-Stack要基于OS才能運(yùn)行。OSAL能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)易于使用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它可通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)來(lái)完成多任務(wù)的調(diào)配，從而提供多任務(wù)的處理機(jī)制[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的礦用鋼絲繩探傷傳感器數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)。因CC2530結(jié)合了射頻模塊和高性能8051單片機(jī)，且適用于功耗解決方案，所以節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，采用IAR工具進(jìn)行Zigbee協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。并基于CC2530主芯片及CC2591射頻芯片對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。形成一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

【參考文獻(xiàn)】

[]1王紅堯.煤礦提升鋼絲繩在線檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[2]褚昊，張恩迪.基于ZigBee的光伏電池檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2016， 40（3）：621-624.

[3]高金轉(zhuǎn)， 彭旭鋒， 張會(huì)新，等.基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子器件， 2016， 39（3）：546-550.

[4]王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2012.

[5]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530和ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用.2011，20（7）.pp.184-187

[6]李洪波， 李國(guó)良， 譚?？?，等.基于ARM和ZigBee模塊的電度表采集器設(shè)計(jì)[J].興義民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（6）：97-100.

[責(zé)任編輯：田吉捷]