于海威

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司， 山西 呂梁 033102)

0 引言

在井下采煤機械設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)中，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee，可避免有線監(jiān)測的工業(yè)現(xiàn)場布線和其他弊端，安裝更加便捷靈活。通過ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)可以更加便捷、準(zhǔn)確地了解井下采煤設(shè)備的運行狀況，在一定程度上預(yù)防了大規(guī)模機械故障的發(fā)生，提高了采煤設(shè)備的可靠性和使用率，保障了安全生產(chǎn)效率[1-3]。

1 采煤機械無線通信系統(tǒng)設(shè)計思路

監(jiān)測井下采煤機械設(shè)備的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)現(xiàn)場使用條件，選用了結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)延遲時間短、傳輸誤差小的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種可以進(jìn)行邏輯運算的設(shè)備：協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備及路由器。由于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各子節(jié)點間的通信傳輸都需要通過中心節(jié)點，故不存在路由器。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)井下采煤機械監(jiān)測系統(tǒng)由終端設(shè)備(機載數(shù)據(jù)采集端)和協(xié)調(diào)器構(gòu)成[4-5]。協(xié)調(diào)器是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)中心節(jié)點，子節(jié)點是由終端設(shè)備構(gòu)成。終端設(shè)備中的傳感器模塊將機械設(shè)備運行過程中采集到的溫度信號和振動信號通過無線通信模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器。中心節(jié)點再把數(shù)據(jù)用串口輸出給微機的監(jiān)控中心，可視化查看。

2 無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)都會有一個協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點，主要目的是建立一個新的無線網(wǎng)絡(luò)，其中包括為傳輸新建的網(wǎng)絡(luò)中的信號，選擇一個合適的通道,并給新加入網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點分配不同的網(wǎng)絡(luò)地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器主要有無線通信模塊、電源模塊和串口模塊的基礎(chǔ)硬件結(jié)構(gòu)。

2.2 無線通信模塊設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信模塊專用單芯片為CC2530，其通信電路如圖1所示。

圖1 單芯片CC2530通信電路

1) 無限通信最需要解決的問題就是通信的精度和穩(wěn)定性。為提高精度，在該模塊中引入了部分去耦電容，用于減少電源產(chǎn)生的噪音及清除1.8 V電源產(chǎn)生的數(shù)字耦合。

2) 為保證信號同步，模塊芯片射頻電路的管腳XOSC_Q1、XOSC_Q2、Q2/P2_4、Q1/P2_3上引入了陶瓷晶振和低頻石英晶振，目的是在通信模塊上提供1個時鐘控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由32 MHz的時鐘源和32.8 kHz的時鐘信號構(gòu)成。

3) 為保證信號的穩(wěn)定傳輸，電路管腳25RF_P、26RF_P上引入了天線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以顯著提高信號傳輸半徑，半徑內(nèi)信號的穩(wěn)定性相對增強[6-7]。

3 采煤機械終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

采煤機械終端設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)由四個模塊構(gòu)成：傳感器、無線通信、微處理器和電源。采煤機械運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測的是振動參數(shù)和溫度參數(shù)。振動傳感器模塊選用ADXL345加速度傳感器；溫度傳感器模塊選用DS18B20溫度傳感器。

3.1 加速度傳感器模塊設(shè)計

采煤機械在工作狀態(tài)時會產(chǎn)生三軸方向的應(yīng)力振動，振動加速度過大會造成很嚴(yán)重的安全事故，故在設(shè)計終端感應(yīng)模塊時加入了ADXL345三軸加速度計。由于檢測模塊的位置環(huán)境惡劣，空間狹小，所以采用I2C方式進(jìn)行通訊。具體模塊布局如圖2所示。

振動模塊設(shè)計的重點在于減小干擾和采集有效的數(shù)據(jù)信號。首先，在管腳6和管腳1處連接了1 μF 鉭電容和100 nF的陶瓷電容，可以很大程度上將電源產(chǎn)生的噪音波過濾；同時，在管腳6處加入了0 Ω電阻。由于電源頻率平穩(wěn)，可以在收集加速度信號時有效地抑制其噪聲。

關(guān)于采集信號方面，為了便于操作控制，在外圍電路上，與單片機連接了通信時鐘線路，包括SCL時鐘線和SDA雙向數(shù)據(jù)線。需要注意的是，在加速度傳感器模塊上，由于存在通信時鐘線路控制信號的傳輸和時鐘頻率，要求當(dāng)模塊處于空閑狀態(tài)時，時鐘線SCL和雙向數(shù)據(jù)線SDA需要被上拉電阻拉高，保持著高電平狀態(tài)。因此，在管腳13和管腳14處增加了上拉電阻。

3.2 溫度傳感器模塊設(shè)計

采煤機械在工作時由于工件刀體反復(fù)接觸被采煤層，容易產(chǎn)生局部高溫，選擇了DS18B20溫度傳感器來進(jìn)行無線溫度模塊檢測。此DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其分辨率較高，溫度轉(zhuǎn)換的時間也較其他傳感器更短。在采煤過程中，由于切削刃接觸應(yīng)力和面積的關(guān)系，切屑刃表面的溫度上升很快，需要高敏的溫度傳感器進(jìn)行檢測。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器的數(shù)據(jù)接口僅有1處，數(shù)據(jù)的輸入、輸出會受到影響，從而造成失穩(wěn)現(xiàn)象。在設(shè)計外部線路時，其DQ管腳接口的外接線路上增加了上拉電阻。具體的連接電路如圖3所示。

圖2 ADXL345外圍電路

圖3 DS18B20外圍電路

4 采煤機械監(jiān)測軟件設(shè)計

采煤機械運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件設(shè)計是監(jiān)測系統(tǒng)硬件有序運行的保障，兩者相互配合，才能更好地發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)中各模塊的作用。軟、硬件設(shè)計均采用模塊設(shè)計。根據(jù)工作方案，采煤機械運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要功能是采集溫度和振動信息。

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計

采煤機械運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中是由傳感器與無線通信技術(shù)構(gòu)成了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。振動和溫度等被測信號，都必須經(jīng)過中心節(jié)點傳感器的采集，并且將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎眯盘栠M(jìn)行輸出。采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中是由溫度傳感器DS18B20負(fù)責(zé)采集溫度信號，振動板載振動傳感器ADXL345采集振動信號，再轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳送給協(xié)調(diào)器。

1) 溫度信號采集程序設(shè)計。溫度傳感器的信號采集程序的編寫，根據(jù)DS18B20傳感器與總線機連接情況，進(jìn)行如下編制：軟件初始化——寫時序操作——讀時序操作——數(shù)據(jù)處理。采煤推進(jìn)工作時每次數(shù)據(jù)的提供都不能受到前面數(shù)據(jù)的影響，因此，軟件初始復(fù)位十分關(guān)鍵。在編制程序時，我們專門在每次提供脈沖應(yīng)答前均給予15～60 μs的復(fù)位時間。DS18B20與單片機的連接如圖4所示。

圖4 DS18B20與單片機的連接

2) 振動信號采集程序設(shè)計。ADXL345與處理器的通信方式已經(jīng)確定，采用I2C的通信方式，其振動信號采集的程序依照I2C的信號種類及時序流程進(jìn)行編寫。與溫度信號DB18B20不同，在開始信號發(fā)生后，ADXL345傳感器并不能馬上提供數(shù)據(jù)信號，需要優(yōu)先提供Slave地址及數(shù)據(jù)的讀寫情況,故在編寫程序前提供10 μs的間隔，給予了ADXL345一個受理時間。另外,為保證穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)線和時鐘線在數(shù)據(jù)采集前處于高電平狀態(tài)，在程序編寫時需要在數(shù)據(jù)讀寫前后階段，提供給SDA線數(shù)據(jù)標(biāo)示，用于收放通訊線路。

5 無線通信程序設(shè)計

無線通信包括終端設(shè)備的采集數(shù)據(jù)和無線發(fā)送可用信號，其無線通信程序設(shè)計也是圍繞這兩個功能。終端設(shè)備的電源模塊供電后，其微處理器模塊開始進(jìn)行初始化，接著無線通信模塊在區(qū)域中搜索并申請加入無線網(wǎng)絡(luò)，并綁定此無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。傳感器模塊采集振動和溫度數(shù)據(jù)，周期性地將采集到的信息以數(shù)字信號的形式，通過終端設(shè)備的無線模塊無線傳輸給協(xié)調(diào)器。

終端監(jiān)測設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的方式和中心協(xié)調(diào)器節(jié)點接收數(shù)據(jù)的方式相呼應(yīng)，都有兩種方式：第一種是主動方式，終端監(jiān)測設(shè)備向協(xié)調(diào)器定時、周期性地輸出數(shù)據(jù)；第二種是被動方式，當(dāng)接收到協(xié)調(diào)器下達(dá)的命令之后，終端傳感器才發(fā)送被索要數(shù)據(jù)。本文為了降低Zig Bee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能耗，選擇由終端設(shè)備主動發(fā)送數(shù)據(jù)給中心節(jié)點協(xié)調(diào)器。

6 結(jié)論

本文設(shè)計的采煤機械運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是運用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)測分析機械運行過程中的振動、溫度參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)機械運行的異常情況。研究了ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，根據(jù)實際運用，設(shè)計了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的硬件平臺和配套的軟件程序。從終端數(shù)據(jù)采集到發(fā)送給協(xié)調(diào)器進(jìn)行分析，再輸出可視，實現(xiàn)了對井下機械設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。