王換換,王曉榮,劉 超,王 翔

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

ZigBee無線網(wǎng)絡在綜采支架液壓監(jiān)測中的高可靠性優(yōu)化設計*

王換換,王曉榮*,劉 超,王 翔

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

基于ZigBee無線網(wǎng)絡原理,對綜采支架液壓監(jiān)測系統(tǒng)進行無線通信優(yōu)化設計。主要內容包含系統(tǒng)總體設計、動態(tài)自發(fā)式通信機制設計、中心訪問式通信機制設計。通過測試,動態(tài)自發(fā)式通信機制在數(shù)據(jù)傳輸實時性方面效果優(yōu)異,最大巡檢周期低于5 s,中心訪問式通信機制通信穩(wěn)定,通信誤碼率低于10-8,適合在復雜礦下環(huán)境使用。

液壓監(jiān)測;ZigBee;通信機制;可靠性;實時性

ZigBee技術是一種無線通信技術,具有低功耗、低速率、帶路由功能等特點。它是ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)主導制定的無線傳感器網(wǎng)絡標準,采用IEEE802.15.4作為物理層和MAC層標準?？梢栽?68 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個頻段上工作,傳輸速率分別為20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s,傳輸距離在10 m～150 m之間,但每個網(wǎng)絡節(jié)點之間的通信距離可以從150 mm繼續(xù)擴展。

礦井下各種工作機械發(fā)出的電磁干擾,會對采用其他無線通信技術的產品正常通信造成極大的干擾,導致工作異常,這種異常情況在礦井下是極其危險的。通過對礦井環(huán)境實地勘察,綜合比較產品成本、產品適用性、開發(fā)難易程度等因素,發(fā)現(xiàn)使用ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方案比其他幾種無線數(shù)據(jù)傳輸方式更適合在礦井下工作。

1 ZigBee無線通信技術

1.1 無線通信方式的分析

短距離無線通信技術是指在幾十米距離范圍內傳輸信息的無線通信技術,伴隨通信技術的發(fā)展,短距離無線通信技術得到了飛躍式進步,其應用領域也不斷增加。經過多年的發(fā)展,形成了一系列完備的無線通信協(xié)議和產品[21]。由于礦井下工作環(huán)境復雜,條件受限,所以綜采支架液壓監(jiān)測系統(tǒng)對無線通信的要求具有一定的特殊性,除了防塵、防水、防震和防爆功能之外,還要具有抗電磁干擾等特點。

1.2 ZigBee技術的特點

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術,在無線通信方面優(yōu)勢明顯,已經成為無線傳感器網(wǎng)絡中最具潛力和研究價值的技術。ZigBee技術具有以下幾個特點:

(1)低功耗

ZigBee節(jié)點在工作環(huán)境中,依靠兩節(jié)干電池就可維持使用半年到12個月。主要原因是采用了合適的能量管理策略,節(jié)點在工作周期內盡可能多地進入睡眠狀態(tài),減少空閑監(jiān)聽時間。節(jié)點各單元耗能情況如圖1所示。

圖1 節(jié)點各單元耗能情況

(2)低成本

ZigBee工作在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段,并且2.4 GHz是全球覆蓋的免執(zhí)照頻段。另外,ZigBee協(xié)議無需協(xié)議專利費。

(3)安全

ZigBee采用AES-128高級加密算法來保護數(shù)據(jù)載荷和防止攻擊者冒充合法設備。加密后的數(shù)據(jù)無法被惡意偵聽,從而阻止外部攻擊。

(4)近距離

ZigBee節(jié)點設備間直接通信距離通常為10 m～100 m。但是可以通過網(wǎng)絡路由和節(jié)點多跳接力的方式,傳輸距離可以更遠。

1.3 信道分配和編碼

ZigBee有3個工作頻段,每一頻段寬度不同,其分配信道的個數(shù)不相同。在IEEE802.15.4中,總共分配了27個具有3種速率的信道:2.4 GHz頻段有16個速率為250 kbit/s的信道;915 MHz頻段有10個40 bit/s的信道;868 MHz頻段有1個20 bit/s的信道。這些信道的中心頻率定義如下:

Fc=868.3 MHz(k=0)

(1)

Fc=906 MHz+2(k-1)MHz (k=1,…,10)

(2)

Fc=2 405 MHz+5(k-11)MHz (k=11,…,26)

(3)

式中:k是信道編號,可以根據(jù)信道的可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個信道中選擇一個工作信道。

2 液壓監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)設計原則

礦井頂板的基本結構如圖2所示,礦井總體上可以分為3層,頂層一般稱作老頂,中間層稱為直接頂,最下面是煤層。對礦井頂板壓力進行監(jiān)測,主要方案是監(jiān)測分布在工作面內的各個綜采支架液壓數(shù)值,把綜采支架所能承擔的安全液壓值設定一個閾值,當液壓超過這個閾值的時候及時報警。

圖2 煤礦井下頂板結構圖

2.2 系統(tǒng)整體架構

綜采支架液壓監(jiān)測系統(tǒng)主要分兩個部分,一是路由節(jié)點,二是匯聚節(jié)點,監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖3所示,路由節(jié)點安裝在液壓支架上,對其前支柱、后支柱、前身梁3點的液壓值進行采集,多臺路由節(jié)點分布組成一個以匯聚節(jié)點為中心的網(wǎng)絡,可以向匯聚節(jié)點無線傳輸信息,同一個網(wǎng)絡中的路由節(jié)點相互中轉傳遞信息;匯聚節(jié)點主要負責將路由節(jié)點利用無線傳輸上來的信息通過光纖傳輸方式送達上位機終端,這樣就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)上傳,可方便后期對液壓值情況的研究分析和預測。每個匯聚節(jié)點最大支持30臺路由節(jié)點,如果工作區(qū)域面積大,則增加匯聚節(jié)點數(shù)量。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)架構

2.3 電源系統(tǒng)電路

當220 V的交流電壓經過線性共模濾波器后,由整流、濾波、逆變再經一輪整流、濾波就得到了系統(tǒng)要求的5 V直流穩(wěn)定電源。然后再經過穩(wěn)壓芯片將該電壓轉換為各模塊所需的電源。處理器及外設恒壓源電路如圖4所示。

圖4 處理器及外設恒壓電路

2.4 ZigBee無線射頻模塊

綜采支架液壓監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術,選用以STM32W108為核心的ZigBee射頻模塊REX3SP。

REX3SP模塊中主要分為系統(tǒng)通用部分和射頻部分。通用部分包含了24個普通的GPIO口、6路模擬輸入通道、4個中斷;USART帶硬件流控制,多種接口如SPI接口、TWI接口等。無線模塊如圖5所示。

圖5 無線模塊圖

無線模塊左側是發(fā)射通路,右側為接收通路。對于接收通路,這不僅僅是一個相對發(fā)送的反向過程,中間需要更多的信號處理。

圖6 路由節(jié)點結構圖

2.5 路由節(jié)點

路由節(jié)點主要負責數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲,然后按照設計的通信機制發(fā)送給匯聚節(jié)點,或者為其他路由節(jié)點來進行數(shù)據(jù)的中轉。圖6是路由節(jié)點的結構圖。

路由節(jié)點上電后,首先需要對各模塊進行初始化,配置模塊狀態(tài)。然后開啟無線模塊,訪問各個通道(16個通道,2405 MHz～2480 MHz)搜索網(wǎng)絡并申請加入,當有網(wǎng)絡應答時就可以準備采集數(shù)據(jù)了。

圖7 傳感器恒壓源

2.6 傳感器供電電路

使用3.3 V恒壓源為傳感器供電,傳感器恒壓源如圖7所示。路由節(jié)點以固定周期來采集綜采支架液壓數(shù)據(jù),為了在空閑時降低功耗,需要停止對壓力傳感器供電,此處的P型MOS管就是用來控制穩(wěn)壓芯片S-1206B33電源的開與關。

因為AD放大器采用差分放大模式,所以需要負電壓,選用ICL7660極性反轉電源轉換器,將傳感器的3.3 V電源轉換為-3.3 V,外圍電路如圖7所示。

3 動態(tài)自發(fā)式通信機制的設計與實現(xiàn)

匯聚節(jié)點采取定時器判斷的方法,當?shù)?個數(shù)據(jù)過來時啟動定時器,定時時間為10 ms,如果第2個數(shù)據(jù)過來就復位定時器重新計數(shù),如果一幀數(shù)據(jù)都傳完了,那么在接收到最后一個數(shù)據(jù)后,定時器能夠到達10 ms的定時,這代表一幀數(shù)據(jù)接收完成,此時關閉定時器并向主函數(shù)發(fā)一封郵件,告知一幀數(shù)據(jù)接收完成可以處理了。動態(tài)自發(fā)式通信機制將串口接收、定時器、郵件收發(fā)幾個功能結合在一起,保證時間上幾乎零等待,自主判斷執(zhí)行狀態(tài)。具體實現(xiàn)代碼流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)接收流程圖

4 中心訪問式通信機制的設計與實現(xiàn)

當網(wǎng)絡組建成功后,路由節(jié)點以廣播模式發(fā)送握手幀搜尋匯聚節(jié)點,當匯聚節(jié)點收到握手請求后根據(jù)對應編號分配緩存區(qū),并回應握手成功幀。若路由節(jié)點接收到握手成功幀后,進入訪問監(jiān)聽模式等待指令,自此表明路由節(jié)點連接認證成功。若沒有接收到握手成功幀,則繼續(xù)發(fā)送握手幀搜尋匯聚節(jié)點。根據(jù)握手情況,匯聚節(jié)點判斷是否所有路由節(jié)點均已連接認證成功,如果還有未連接節(jié)點,依然等待接收握手幀,同時依次訪問所有已加入節(jié)點,接收數(shù)據(jù)并反饋,此過程不斷循環(huán)。

使用MAC庫設計網(wǎng)絡交互主要包括3個方面內容:網(wǎng)絡形成、加入網(wǎng)絡、離開網(wǎng)絡。形成網(wǎng)絡的一般是由匯聚節(jié)點(Sink)發(fā)起的,而加入網(wǎng)絡針對的是路由節(jié)點。首先要做的就是初始化,其內容包括:初始化HAL層、播種隨機數(shù)生成器、使能中斷、初始化串口通信信道、執(zhí)行無線電初始化和校準。

5 測試分析和總結

5.1 通信距離測試

為了驗證無線傳輸方案的可行性,搭建了一個簡易的組網(wǎng)環(huán)境進行傳輸距離測試。通信距離測試使用1個匯聚節(jié)點和7個路由節(jié)點(節(jié)點1～7),利用周圍的校園環(huán)境組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡。節(jié)點方位布局如圖9所示。

圖9 無線節(jié)點方位布局

通過實驗發(fā)現(xiàn)空曠條件下,100 m及以內無線通信能實現(xiàn)無丟包傳輸,通信距離在100 m～130 m時丟包率低于5%。能夠滿足系統(tǒng)設計要求。

5.2 通信穩(wěn)定性測試

使用上位機軟件讀取匯聚節(jié)點接收存儲的壓力數(shù)據(jù),將壓力數(shù)據(jù)導入Origin軟件繪制的圖形如圖10所示。

圖10 壓力采集數(shù)據(jù)曲線

實驗采集到的壓力值為26.4 MPa,與此時的壓力表校驗器上顯示的數(shù)值一致,且每天中午12點記錄的壓力值與采集到的壓力值是吻合的。

5.3 通信誤碼率測試

誤碼率測試軟件產生隨機數(shù)0～255,以十六進制形式發(fā)送至匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點及時將收到數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送給路由節(jié)點;路由節(jié)點成功接收數(shù)據(jù)后,立即將收到的全部數(shù)據(jù)返回至匯聚節(jié)點,再傳至上位機。上位機統(tǒng)計發(fā)送、接收的次數(shù),并把接收的數(shù)據(jù)與發(fā)出去的數(shù)據(jù)做比較,統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)與原發(fā)出數(shù)據(jù)的相同(正確)、不同(錯誤)的數(shù)據(jù)個數(shù),同時對接收數(shù)據(jù)按位比較,統(tǒng)計正確、錯誤的位數(shù),如圖11所示。

圖11 誤碼率測試結果

實驗表明,中心訪問式通信機制在長時間工作過程中通信良好,斷線重連功能滿足需求,穩(wěn)定性經得住考驗。

圖12 示波器波形圖

5.4 通信實時性測試

使用1個匯聚節(jié)點和30個路由節(jié)點運行動態(tài)自發(fā)式通信機制,組成測試系統(tǒng)。從圖12可以看到,路由節(jié)點發(fā)送完報警信息后,匯聚節(jié)點及時進行響應反饋,間隔時間大約為50 ms。

實驗表明,動態(tài)自發(fā)式通信機制在報警信息延遲處理方面表現(xiàn)優(yōu)異,達到系統(tǒng)要求。

6 總結

本文對礦下通信機制的實時性和可靠性進行了分析和研究,主要介紹了通信機制的工作過程,通過硬件搭建和軟件實現(xiàn),以及對各項關鍵性能進行測試,針對運行效果進行了一定的分析。本文雖然是針對現(xiàn)有綜采支架液壓監(jiān)測系統(tǒng)在無線傳輸方面的不足進行了改進,也通過了一系列的模擬實驗測試,但是由于煤礦復雜、危險的環(huán)境應用場合,還是需要更加實際的測試條件和更嚴格的測試標準。

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HighReliabilityOptimizationDesignofZigbeeWirelessNetworkinHydraulicMonitoringofFullyMechanizedMiningSupport*

WANGHuanhuan,WANGXiaorong*,LIUChao,WANGXiang

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

Based on ZigBee wireless network principle,the wireless communication design of hydraulic monitoring system is optimized. The main contents contain the overall system design,dynamic spontaneous communication mechanism design and polling communication mechanism design. After experiments,the dynamic spontaneous communication mechanism in real-time data transmission effect is excellent,the maximum inspection period is less than 5 s,polling communication mechanism is stable,communication error rate is less than 10-8,which is suitable for use in the undermining complex environment.

hydraulic monitoring;ZigBee;communication mechanism;reliability;instantaneity

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.043

項目來源:青島本末巖控有限公司產品研發(fā)項目

2016-07-12修改日期2016-09-21

TN911

A

1005-9490(2017)05-1278-05

王換換(1993-),女,漢族,南京工業(yè)大學碩士研究生,研究方向為嵌入式系統(tǒng),1243709738@qq.com;

王曉榮(1972-),男,副教授,漢族,主要研究方向為分析儀器和嵌入式系統(tǒng),wang@njtech.edu.cn。