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(jī)械設(shè)備運(yùn)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(yùn)行狀況，在一定程度上預(yù)防了大規(guī)模機(jī)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(jī)械無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

監(jiān)測井下采煤機(jī)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(shí)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(yùn)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(diǎn)間的通信傳輸都需要通過中心節(jié)點(diǎn)，故不存在路由器。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)井下采煤機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)由終端設(shè)備(機(jī)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(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)是由終端設(shè)備構(gòu)成。終端設(shè)備中的傳感器模塊將機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中采集到的溫度信號和振動(dòng)信號通過無線通信模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器。中心節(jié)點(diǎn)再把數(shù)據(jù)用串口輸出給微機(jī)的監(jiān)控中心，可視化查看。

2 無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)都會(huì)有一個(gè)協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，主要目的是建立一個(gè)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(gè)合適的通道,并給新加入網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)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(jì)

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(gè)時(shí)鐘控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由32 MHz的時(shí)鐘源和32.8 kHz的時(shí)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(qiáng)[6-7]。

3 采煤機(jī)械終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)械終端設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)由四個(gè)模塊構(gòu)成：傳感器、無線通信、微處理器和電源。采煤機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測的是振動(dòng)參數(shù)和溫度參數(shù)。振動(dòng)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(jì)

采煤機(jī)械在工作狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生三軸方向的應(yīng)力振動(dòng)，振動(dòng)加速度過大會(huì)造成很嚴(yán)重的安全事故，故在設(shè)計(jì)終端感應(yīng)模塊時(shí)加入了ADXL345三軸加速度計(jì)。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(dòng)模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(jī)連接了通信時(shí)鐘線路，包括SCL時(shí)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(shí)鐘線路控制信號的傳輸和時(shí)鐘頻率，要求當(dāng)模塊處于空閑狀態(tài)時(shí)，時(shí)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(jì)

采煤機(jī)械在工作時(shí)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(shí)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(huì)受到影響，從而造成失穩(wěn)現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)外部線路時(shí)，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(jī)械監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)械運(yùn)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(jì)是監(jiān)測系統(tǒng)硬件有序運(yùn)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(jì)均采用模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)工作方案，采煤機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要功能是采集溫度和振動(dòng)信息。

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

采煤機(jī)械運(yùn)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(dòng)和溫度等被測信號，都必須經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)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(jī)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(dòng)板載振動(dòng)傳感器ADXL345采集振動(dòng)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(jì)。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(jī)連接情況，進(jìn)行如下編制：軟件初始化——寫時(shí)序操作——讀時(shí)序操作——數(shù)據(jù)處理。采煤推進(jìn)工作時(shí)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(shí)，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(shí)間。DS18B20與單片機(jī)的連接如圖4所示。

圖4 DS18B20與單片機(jī)的連接

2) 振動(dòng)信號采集程序設(shè)計(jì)。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(dòng)信號采集的程序依照I2C的信號種類及時(shí)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(gè)受理時(shí)間。另外,為保證穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線在數(shù)據(jù)采集前處于高電平狀態(tài)，在程序編寫時(shí)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(jì)

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(jì)也是圍繞這兩個(gè)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)方式，終端監(jiān)測設(shè)備向協(xié)調(diào)器定時(shí)、周期性地輸出數(shù)據(jù)；第二種是被動(dòng)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(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的采煤機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是運(yùn)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過監(jiān)測分析機(jī)械運(yùn)行過程中的振動(dòng)、溫度參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)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(shí)際運(yùn)用，設(shè)計(jì)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的硬件平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了對井下機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。