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        基于藍(lán)牙通信的液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

        2019-06-19 07:23:32高文杰
        煤礦現(xiàn)代化 2019年4期
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)關(guān)藍(lán)牙路由

        高文杰

        (山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限公司屯蘭礦選煤廠,山西 古交 030206)

        0 引言

        液壓支架是現(xiàn)代綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備,并且數(shù)量較多,如果液壓支架出現(xiàn)故障但無(wú)法及時(shí)排除,將會(huì)嚴(yán)重威脅綜采工作面的安全生產(chǎn),因此實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控意義重大,其中液壓支架的壓力信息尤為重要,現(xiàn)有的液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多依賴有線通信傳輸數(shù)據(jù),不僅成本高、布線困難,且線路易磨損、維護(hù)不便。為了解決這一問(wèn)題,本文引入藍(lán)牙通信作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?,具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

        1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)主要分為2層,以嵌入式網(wǎng)關(guān)作為分界點(diǎn),底層采用藍(lán)牙通信作為主要通信方式,壓力采集表采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn),藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)將壓力信息通過(guò)藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)上傳至嵌入式網(wǎng)關(guān);上層通信主要通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳輸,嵌入式網(wǎng)關(guān)將藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并上傳至上位機(jī)管理軟件,工作人員可以通過(guò)上位機(jī)管理軟件設(shè)置預(yù)警值,當(dāng)壓力超過(guò)預(yù)警值即發(fā)出報(bào)警,另一方面上位機(jī)管理軟件也負(fù)責(zé)壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示以及存儲(chǔ),方面工作人員的查看以及實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        圖1 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

        系統(tǒng)中的藍(lán)牙嵌入式網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)以及藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)都屬于藍(lán)牙設(shè)備,藍(lán)牙設(shè)備主要由微控制器以及藍(lán)牙芯片組成。由于藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)需要處理的數(shù)據(jù)量較小,因此選用成本較低的低功耗芯片STC13L2K08S2,該芯片不需要外部復(fù)位和晶振,因此降低了電路板布線難度。嵌入式網(wǎng)關(guān)對(duì)微控制器的處理能力有較高要求,因此選用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103RCT6,該芯片在保持較低功耗的同時(shí)擁有較高的處理速度,內(nèi)部Flash容量為256kB,并可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。三種藍(lán)牙設(shè)備的藍(lán)牙芯片均選用BlueCore CSR8645A03,該芯片符合IEEE802.15.1通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),功耗低、傳輸速度快,接收器的靈敏度為-93dBm,最大傳輸距離為100m,最大輸出功率為10dBm。

        1.2 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

        壓力采集表負(fù)責(zé)采集液壓支架工作時(shí)的壓力數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)上傳至藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn),為了降低功耗,藍(lán)牙設(shè)備平時(shí)處于睡眠狀態(tài),當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后則被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài),該藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)被喚醒后即開(kāi)始尋呼周邊的藍(lán)牙設(shè)備,附近原本處于睡眠狀態(tài)的藍(lán)牙設(shè)備收到呼叫后建立連接,這些藍(lán)牙設(shè)備中發(fā)出尋呼的藍(lán)牙設(shè)備為主設(shè)備,而接受尋呼的藍(lán)牙設(shè)備為從設(shè)備,一臺(tái)主設(shè)備和一臺(tái)從設(shè)備組成的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)即為微微網(wǎng),一個(gè)主設(shè)備最多可以與7個(gè)從設(shè)備建立連接,并且一臺(tái)主/從設(shè)備也可能是另一臺(tái)設(shè)備的從/主設(shè)備,這樣就形成了藍(lán)牙自組網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)具備主設(shè)備和從設(shè)備兩種身份的藍(lán)牙設(shè)備即為橋節(jié)點(diǎn),在藍(lán)牙自組網(wǎng)絡(luò)中,任意兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

        嵌入式網(wǎng)關(guān)被喚醒后,開(kāi)始接受藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的壓力信息,然后將信息通過(guò)以太網(wǎng)上傳至上位機(jī),同時(shí)也將數(shù)據(jù)存入了外部存儲(chǔ)器中,當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)失效時(shí),工作人員可以通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,避免由于故障導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效。

        2 藍(lán)牙自組網(wǎng)過(guò)程

        根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),嵌入式網(wǎng)關(guān)是藍(lán)牙自組網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈ㄒ荒康墓?jié)點(diǎn),而藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)是藍(lán)牙自組網(wǎng)中的源節(jié)點(diǎn),當(dāng)液壓支架停止工作時(shí),則網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入休眠狀態(tài),從而減少電量消耗,當(dāng)液壓支架工作時(shí),則連續(xù)檢測(cè)和傳輸液壓支架的壓力信息。根據(jù)上述要求,藍(lán)牙自組網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為樹(shù)狀結(jié)構(gòu),其中目的節(jié)點(diǎn)只有一個(gè),路由節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是橋節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)路由節(jié)點(diǎn)又應(yīng)該有一定數(shù)量的子節(jié)點(diǎn),子節(jié)點(diǎn)中可以是其他路由節(jié)點(diǎn)也可以是源節(jié)點(diǎn),而源節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。藍(lán)牙自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

        藍(lán)牙自組網(wǎng)形成過(guò)程如下:

        1)路由發(fā)現(xiàn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到壓力采集表的數(shù)據(jù)被喚醒后,即向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包,并快速轉(zhuǎn)發(fā)至整個(gè)網(wǎng)絡(luò),用于尋找目的節(jié)點(diǎn)。

        2)構(gòu)建散射網(wǎng)。目的節(jié)點(diǎn)在接收到路由發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包后,即開(kāi)始尋找附近的路由節(jié)點(diǎn),并構(gòu)成相應(yīng)的微微網(wǎng),當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)的從設(shè)備達(dá)到7個(gè)后,即停止尋找路由節(jié)點(diǎn)。然后已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)尋找其他沒(méi)有加入網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)作為自己的子節(jié)點(diǎn),當(dāng)所有的路由節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)后,路由節(jié)點(diǎn)開(kāi)始尋找附近的源節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),從而完成了自組網(wǎng)的過(guò)程。

        圖2 藍(lán)牙自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

        3 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

        3.1 藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

        由于壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依靠電池進(jìn)行供電,因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗是必須考慮的問(wèn)題,由于液壓支架的壓力數(shù)據(jù)主要用于升降架的過(guò)程中,所以當(dāng)液壓支架不進(jìn)行升降架的時(shí)候,壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài),當(dāng)壓力發(fā)生突然變化時(shí),壓力監(jiān)測(cè)表開(kāi)始采集數(shù)據(jù)上傳至藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn),并使其進(jìn)入工作狀態(tài),在藍(lán)牙自組網(wǎng)形成以后,藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向目的節(jié)點(diǎn)(嵌入式網(wǎng)關(guān))發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中,首先應(yīng)由藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)尋呼藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn),并建立鏈接,鏈接建立成功后,藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn),并由藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至嵌入式網(wǎng)關(guān),從而完成數(shù)據(jù)傳輸。如果在建立鏈接過(guò)程中被其他源節(jié)點(diǎn)搶占,則等待下一次路由節(jié)點(diǎn)發(fā)起鏈接,軟件流程如圖3所示。

        圖3 藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)工作流程圖

        3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

        嵌入式網(wǎng)關(guān)不僅是通信系統(tǒng)頂層和底層的中轉(zhuǎn)裝置,并且其本身也能夠獨(dú)立作為上位機(jī)完成壓力的監(jiān)測(cè)功能,嵌入式網(wǎng)關(guān)擁有人機(jī)交互界面,可以實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)據(jù)的同時(shí),工作人員也可以發(fā)送相應(yīng)的指令,控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行。嵌入式網(wǎng)關(guān)有SD卡接口和USB接口,當(dāng)上位機(jī)無(wú)法與嵌入式網(wǎng)關(guān)正常通信時(shí),工作人員可以直接從嵌入式網(wǎng)關(guān)將壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行分析。嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊如圖4所示。

        圖4 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊圖

        當(dāng)液壓支架不進(jìn)行升降架動(dòng)作時(shí),嵌入式網(wǎng)關(guān)處于待機(jī)狀態(tài),當(dāng)接收到啟動(dòng)指令后,嵌入式網(wǎng)關(guān)被喚醒并完成初始化工作,嵌入式網(wǎng)關(guān)在接收到RDP后,開(kāi)始組建網(wǎng)絡(luò),然后接受子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的壓力數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)將壓力信息一方面打包上傳至上位機(jī),另一方面通過(guò)人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示出來(lái),嵌入式網(wǎng)關(guān)在接收到數(shù)據(jù)后需要確認(rèn)是否接收到對(duì)應(yīng)液壓支架的壓力值,如果沒(méi)有正常接收,則向上位機(jī)發(fā)送警報(bào),提醒工作人員進(jìn)行排查。嵌入式網(wǎng)關(guān)工作流程如圖5所示。

        圖5 嵌入式網(wǎng)關(guān)工作流程圖

        3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        上位機(jī)軟件不僅需要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示液壓支架的壓力變化,還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、存儲(chǔ)和分析。因此上位機(jī)軟件按照功能可分為:實(shí)時(shí)顯示、系統(tǒng)管理、檔案管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出。其中系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)修改、添加、刪除用戶信息;檔案管理主要負(fù)責(zé)管理壓力采集表信息的傳輸,如果在工作面修改或者刪除壓力采集表,必須通過(guò)檔案管理模塊錄入壓力采集表信息,才能夠進(jìn)行實(shí)施顯示;歷史數(shù)據(jù)查詢是將壓力數(shù)據(jù)制作成相應(yīng)的圖表,工作人員可根據(jù)日期進(jìn)行相應(yīng)的查閱。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        液壓支架不僅是工作面的主要支護(hù)設(shè)備,也是采煤工藝中的重要一環(huán),因此實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)采集,即時(shí)發(fā)現(xiàn)、排查故障有著非常重要的意義,本文設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙通信的液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并研究了藍(lán)牙自組網(wǎng)結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,解決了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線困難,可靠性差的問(wèn)題。

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