丁 飛， 呂自力

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

綜采工作面采煤機(jī)截割煤巖時(shí)產(chǎn)生大量粉塵，雖然采煤機(jī)自身攜帶內(nèi)噴霧降塵裝置，但效果甚微，通常在綜采工作面液壓支架上安裝外噴霧降塵裝置彌補(bǔ)采煤機(jī)內(nèi)噴霧降塵裝置的不足[1，2]。文獻(xiàn)[3，4]對(duì)綜采工作面采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)，提高了綜采工作面采煤機(jī)外噴霧系統(tǒng)的噴霧降塵效率。以上研究多采用紅外傳感裝置對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行位置進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)際綜采工作面中得到廣泛應(yīng)用，但也存在一定的弊端。

本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)和控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線技術(shù)的綜采工作面噴霧降塵系統(tǒng)能夠?qū)Σ擅簷C(jī)工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)位置等信息進(jìn)行采集，進(jìn)而聯(lián)動(dòng)控制液壓支架外噴霧降塵裝置工作,實(shí)現(xiàn)綜采工作面的高效降塵[5]。

1 綜采工作面噴霧降塵控制網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由于綜采工作面環(huán)境惡劣、復(fù)雜，結(jié)合CAN總線和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成綜采工作面噴霧降塵控制網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮各自網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，能夠提高綜采工作面噴霧降塵控制網(wǎng)絡(luò)的高效性和實(shí)時(shí)性[6]。

在采煤機(jī)身上安裝有基于WSNs技術(shù)的終端節(jié)點(diǎn)，能夠采集采煤機(jī)的運(yùn)行速度等狀態(tài)參數(shù)，通過WSNs傳輸至液壓支架上的路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)定位算法能夠確定傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置，即采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置。將采煤機(jī)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和位置信息通過高效CAN總線傳送至主控制器。主控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制程序以及綜采工作面各關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和風(fēng)流方向確定外噴霧裝置工作，通過CAN總線下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)外噴霧裝置跟隨采煤機(jī)工作位置進(jìn)行高效噴霧降塵，主控制器能夠?qū)⑼鈬婌F系統(tǒng)控制信息和狀態(tài)信息通過井下以太環(huán)網(wǎng)傳輸至井上的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)亦可向下發(fā)送遠(yuǎn)程手動(dòng)控制信號(hào)或進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置。

通常綜采工作面內(nèi)風(fēng)流方向固定，采煤機(jī)沿著刮板輸送機(jī)來回截割煤巖時(shí)會(huì)有順風(fēng)采煤和逆風(fēng)采煤之分，順風(fēng)采煤和逆風(fēng)采煤時(shí)粉塵漂移距離不同，因此液壓支架下方的外噴霧裝置工作狀態(tài)要對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)。

2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件主要由無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及通信裝置組成。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要包含協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)三種節(jié)點(diǎn)類型。無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)以及外圍采集控制模塊組成。

每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)可以通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組合成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通信裝置為網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，這種路由能夠在維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與CAN總線連接起來，通過該模塊還能夠傳輸后臺(tái)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)。

本文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控芯片為TI 公司2.4 GHz射頻芯片CC2530。圖2所示為CC2530最小系統(tǒng)的硬件電路。為了保證主控器的正常運(yùn)行必須要保證最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的完善性。

圖2 CC2530最小系統(tǒng)電路

1)無線射頻電路

在設(shè)計(jì)無線射頻電路的過程中，單端口和雙端口之間的轉(zhuǎn)換可以通過巴倫電路來實(shí)現(xiàn)，并保證饋線和天線的匹配達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。無線射頻匹配電路，如果需要將數(shù)據(jù)通過CC2530模塊向外發(fā)送，差分射頻端口 RF_P，RF_N可向巴倫電路發(fā)送數(shù)據(jù)，完成單端信號(hào)的命令后可利用天線發(fā)射。如果數(shù)據(jù)需要通過CC2530模塊接收，巴倫電路能夠轉(zhuǎn)換天線接收到的信號(hào)并向RF_P，RF_N 端口進(jìn)行發(fā)送。

2)供電電路

采用220 V交流電源供電，利用穩(wěn)壓芯片LM7812、橋堆以及變壓器轉(zhuǎn)換為5V直流電源和12 V直流電源，分別供給傳感采集電路和控制器工作。經(jīng)LM1117—3.3芯片5 V直流電源可以轉(zhuǎn)換為供給外圍電路和CC2530芯片工作的3.3 V直流電源。

由于無線模塊的主控芯片CC2530無法直接與CAN總線芯片連接，因此，本文設(shè)計(jì)的路由節(jié)點(diǎn)采用STC89C52+CC2530雙MCU形式。雙MCU之前采用通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串行通信模式，解決不同控制芯片之前的電平兼容問題[8]?；赟JA1000芯片CAN總線模塊接口電路如圖3所示。

圖3 基于SJA1000芯片的CAN總線模塊接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于WSNs的采煤機(jī)運(yùn)行位置檢測(cè)

與傳統(tǒng)的外噴霧系統(tǒng)采用紅外傳感裝置檢測(cè)采煤機(jī)運(yùn)行位置不同，本文使用WSNs技術(shù)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行位置定位。

設(shè)P為需要定位的采煤機(jī)節(jié)點(diǎn)，如果只存在1個(gè)測(cè)量參考點(diǎn)，那么只能對(duì)P點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，該點(diǎn)在以R1為半徑，A為圓心的圓周上。如果存在2個(gè)參考點(diǎn)，那么2個(gè)點(diǎn)為圓心所對(duì)應(yīng)的圓會(huì)產(chǎn)生2個(gè)交點(diǎn)，因此2個(gè)交點(diǎn)中的一點(diǎn)為P的位置，但對(duì)于具體的點(diǎn)無法確定。如果存在3個(gè)參考點(diǎn)R1,R2和R3，可以得到3個(gè)點(diǎn)(A,B,C)的相對(duì)距離，通過解析幾何即可對(duì)計(jì)算P點(diǎn)位置。因此,只要3個(gè)參考點(diǎn)未處于同一條直線上即可準(zhǔn)確定位[9]。

由于液壓支架上安裝的路由節(jié)點(diǎn)呈直線型排列，因此無法找到滿足條件的點(diǎn)A，B，C，但由于采煤機(jī)節(jié)點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)軌跡基本為直線，或與正對(duì)的液壓支架相對(duì)位置不變，即P點(diǎn)在y軸方向上距離A,B點(diǎn)距離始終為一定值。如圖4所示。

設(shè)液壓支架的路由節(jié)點(diǎn)A和B以及采煤機(jī)節(jié)點(diǎn)P的坐標(biāo)分別為(xa,ya)、(xb,yb)和(xp,yp)。采煤機(jī)節(jié)點(diǎn)P至路由節(jié)點(diǎn)A和B的距離設(shè)定為dpa和dpb。則各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和距離具有如下關(guān)系式，可據(jù)此判斷采煤機(jī)節(jié)點(diǎn)P的位置

(1)

圖4 采煤機(jī)節(jié)點(diǎn)P定位原理示意

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)一般在上電后初始化系統(tǒng)，之后掃描通信范圍內(nèi)的路由節(jié)點(diǎn)，并在搜索到可用路由節(jié)點(diǎn)后申請(qǐng)加入該節(jié)點(diǎn)，以向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.3 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

相比于終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，路由節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)難度比較大，除了對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，還要保證其他功能的完成，具體表現(xiàn)為：

1)路由節(jié)點(diǎn)在WSNs中是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)分配網(wǎng)絡(luò)地址并組建網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)交換終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee；

2)2個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)由路由節(jié)點(diǎn)連接，由于在數(shù)據(jù)幀格式上2個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有比較明顯的差距，經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)可以將WSNs數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)幀格式在CAN總線上傳輸，保證轉(zhuǎn)換2個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，其效果等同于網(wǎng)關(guān)；

3)路由節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于CAN節(jié)點(diǎn)，在接收到濕度和溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)以后即可向工業(yè)控制端發(fā)送CAN數(shù)據(jù)包。

CAN總線以及WSNs之間的通信可以通過路由節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，上電復(fù)位后首先建立網(wǎng)絡(luò)，然后終端節(jié)點(diǎn)可以通過發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)加入，在接收到指令后傳感器采集節(jié)點(diǎn)處理采集到的數(shù)據(jù)，并向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和分析后路由節(jié)點(diǎn)即可利用CC2530模塊向CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，最后數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN總線向地面監(jiān)測(cè)中心傳送，圖6所示為路由節(jié)點(diǎn)的工作流程。

圖6 路由節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.4 SJA1000收發(fā)程序

初始化SJA1000芯片后，進(jìn)入工作模式。首先開啟中斷，通過訪問狀態(tài)寄存器確定總線狀態(tài)。報(bào)文在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)發(fā)送報(bào)文。判斷報(bào)文格式以及SJA1000狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送位處于中斷狀態(tài)時(shí)可關(guān)閉中斷進(jìn)入到發(fā)送模式。判定所發(fā)送的幀是否為數(shù)據(jù)幀，在SLA1000發(fā)送緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)的CAN幀位置寫入報(bào)文，本文需要將8B數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)中。在向SJA1000緩沖區(qū)正確寫入數(shù)據(jù)后可啟動(dòng)SLA1000，成功發(fā)送1次報(bào)文。當(dāng)緩沖器鎖定時(shí)說明報(bào)文正處于發(fā)送狀態(tài)，無法訪問緩沖區(qū)。

在中斷接收過程中,SJA1000能夠接收?qǐng)?bào)文，CAN控制器能夠在64B的接收緩沖區(qū)中依次存入接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)完成數(shù)據(jù)接收后，接收緩沖區(qū)在接收寄存器中填充相關(guān)數(shù)據(jù)，并發(fā)出中斷信號(hào)，該中斷信號(hào)用于單片機(jī)的外部接收中斷，在接收相應(yīng)中斷以后微控制單元對(duì)讀取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而清空CAN控制器的接收寄存器，完成CAN總線數(shù)據(jù)接收過程[11]。

4 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試

地面環(huán)境模擬井下采煤機(jī)與液壓支架，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試。通信測(cè)試主要針對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信。

使用CAN總線分析儀測(cè)試CAN模塊與上位機(jī)通信情況進(jìn)行，在上位機(jī)上的ECAN Tools分析軟件顯示CAN總線上設(shè)備與上位機(jī)上通信正常。

5 結(jié) 論

本文研究了一種基于CAN總線和ZigBee技術(shù)的綜采工作面噴霧降塵監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)與各節(jié)點(diǎn)的正常通信，滿足設(shè)計(jì)要求。