郭春雨

（華北科技學(xué)院，河北 廊坊065201）

粉塵是煤礦五大災(zāi)害之一，粉塵會(huì)影響井下工作人員身體健康、濃度達(dá)到一定值會(huì)引發(fā)粉塵爆炸也會(huì)縮短機(jī)器壽命。隨著煤礦機(jī)器化大幅度提高，粉塵危害在煤礦企業(yè)工作中帶來(lái)的問(wèn)題日益突出。為防止粉塵帶來(lái)的危害，其濃度值的準(zhǔn)確測(cè)量十分重要。人們最近幾年對(duì)粉塵檢測(cè)技術(shù)一直都比較關(guān)注。世界各地對(duì)粉塵檢測(cè)都做了大量的研究工作，研制了許多粉塵檢測(cè)儀器，但都無(wú)法克服上述難題，我國(guó)對(duì)粉塵檢測(cè)和防治技術(shù)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家尚存在一定的差距。基于稱重法的粉塵濃度采樣器檢測(cè)精度最高，但需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜采樣、稱重、烘干過(guò)程，所有更不能實(shí)時(shí)反映粉塵在井下污染狀況。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的很快發(fā)展為粉塵監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)研究方向，基于這樣研究現(xiàn)狀而設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的粉塵濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

該基于物聯(lián)網(wǎng)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以5G 技術(shù)和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，利用Zigee 技術(shù)做終端采集部分，利用5G 和以太網(wǎng)技術(shù)等構(gòu)建的“有線+無(wú)線”粉塵物聯(lián)網(wǎng)信息感知系統(tǒng)，從而建立井上/下高速信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其主要特點(diǎn)是采用環(huán)行總線結(jié)構(gòu)，兼容井下無(wú)線傳輸節(jié)點(diǎn)、多種數(shù)據(jù)傳輸模式。實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)被遠(yuǎn)程技術(shù)人員隨時(shí)隨地的了解從而避免粉塵危害的發(fā)生。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目粉塵傳感器系統(tǒng)主要由電源電路、CPU 電路、無(wú)線收發(fā)模塊電路、LCD 液晶顯示電路、按鍵電路、信號(hào)檢測(cè)電路和粉塵傳感器探頭電路等組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入、LCD 顯示、粉塵濃度檢測(cè)、無(wú)線通信的控制等功能。該模塊具有檢測(cè)精度高、性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室功能測(cè)試，工作穩(wěn)定。

圖2 粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)

1.2 粉塵傳感器的選取和CC2530 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的采用傳感器為ZH03BMOKU 模塊，利用米氏射散原理對(duì)井下粉塵顆粒物進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，對(duì)小顆粒分別直徑0.3μm，測(cè)得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、響應(yīng)及時(shí)、功耗較低。通過(guò)圖3 中CC2530 芯片的7 引腳和8 引腳分別接傳感器的采集數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)，再將電信號(hào)進(jìn)行放大檢波變成模擬直流信號(hào)，直流信號(hào)經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行處理得出出實(shí)時(shí)的粉塵濃度值。

圖3 CC2530 無(wú)線收發(fā)模塊

設(shè)計(jì)的CC2530 核心電路如上圖3 所示。CC2530 芯片有一個(gè)32.76KHz 低速晶振，本系統(tǒng)電路中，使用兩個(gè)負(fù)載電容C23和C24 以及32MHz 晶體振蕩器構(gòu)成32MHz 晶振?？梢栽谛酒瑸樗郀顟B(tài)時(shí)關(guān)閉芯片內(nèi)部的部分電路，并以極低的頻率工作，使芯片的功率損耗降到最低。CC2530 自帶射頻功能，所以不需要外接額外的射頻芯片。27 腳和28 腳是射頻收發(fā)引腳，接2.4GHz 無(wú)線收發(fā)電路，由電容和電感組成濾波器。antenna 是天線，本系統(tǒng)在PCB 設(shè)計(jì)中選擇倒F 天線設(shè)計(jì)是一種非平衡天線，所以需要用電容、電感來(lái)達(dá)到最佳傳輸效果

2 軟件總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的粉塵檢測(cè)模塊采用Keil 軟件編程設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)程序由主程序、按鍵輸入模塊、參數(shù)標(biāo)定模塊、液晶顯示模塊、粉塵測(cè)量模塊和ZigBee 無(wú)線通信模塊等。單片機(jī)啟動(dòng)在液晶屏上顯示開機(jī)信息保證機(jī)器正常工作，然在硬件上進(jìn)行設(shè)置，分別設(shè)定標(biāo)定和測(cè)量的兩模式?！皹?biāo)定”模式下，單片機(jī)在按鍵控制下采集標(biāo)定曲線數(shù)據(jù)，為粉塵濃度等參數(shù)的精確測(cè)量提供基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)；在“測(cè)量”模式下，單片機(jī)進(jìn)行采集、計(jì)算、顯示測(cè)量結(jié)果，最后將測(cè)量結(jié)果通過(guò)CC2530 無(wú)線收發(fā)器傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一將信息上傳光纖環(huán)網(wǎng)，遠(yuǎn)程供監(jiān)控計(jì)算機(jī)分析、處理。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)總的調(diào)試主要包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，硬件上主要是采集模塊和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的調(diào)試，采集模塊主要針對(duì)采集準(zhǔn)確度的調(diào)試，節(jié)點(diǎn)硬件大部分都是數(shù)字電路，調(diào)試比較方便直觀，出現(xiàn)硬件故障也少。軟件的調(diào)試主要包括各模塊的調(diào)試、數(shù)據(jù)采集測(cè)試、協(xié)議棧的測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分調(diào)試。對(duì)同一測(cè)試點(diǎn)位多次測(cè)量取平均值保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖5 是最終實(shí)物圖，通過(guò)粉塵探頭采集當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)上顯示出來(lái)，并通過(guò)ZigBee 無(wú)線功能將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。

圖5 硬件電路圖

結(jié)束語(yǔ)

在消化吸收了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的粉塵監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合利用單片機(jī)技術(shù)和傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)及信息處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的粉塵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下粉塵濃度參數(shù)的實(shí)時(shí)、可靠監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，危險(xiǎn)數(shù)據(jù)的及時(shí)上報(bào)和處理，克服了傳統(tǒng)粉塵有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的諸多不足。