黃鶴松，王家豪，戴傳浩，田成金，王 朕

（1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590；2.青島新前灣集裝箱碼頭有限責任公司，山東 青島266000；3.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013；4.煤炭科學研究總院智能控制技術研究分院，北京100013）

煤炭作為我國能源系統(tǒng)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在未來能源格局中仍將是我國的主體能源[1]。目前國內相當一部分煤礦是井工煤礦，煤礦井下設備繁多，開采環(huán)境封閉，自動化程度較低[2]。2016年國家發(fā)改委和國家能源局頒布了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》，明確了我國要在2030年前實現(xiàn)煤炭無害化開采技術創(chuàng)新，提升煤炭開發(fā)效率和智能化水平[3]。

為了提高煤礦井下智能化開采水平，防范煤礦安全事故頻發(fā)，需要在有限的工作空間內安裝種類繁多的傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊，各類傳感器所產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)包為系統(tǒng)控制、運營決策、大數(shù)據(jù)分析等提供基礎數(shù)據(jù)信息[4]。傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)布線較繁瑣，線路易老化，抗干擾能力差；無線通信模塊掛載的節(jié)點容量小，數(shù)據(jù)傳輸時延較長，無法滿足智慧煤礦的建設要求[5-6]。因此需要在煤礦井下建立實用性強、靈活性好、功耗低的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為煤礦智能化開采提供必不可少的基礎數(shù)據(jù)。

無線傳感器技術在工業(yè)領域中的應用十分廣泛，而ZigBee技術作為介于藍牙和無線標記技術之間的雙向無線通訊技術，具有低功耗、自組網(wǎng)、節(jié)點多、可擴展性強的特點，目前廣泛應用在各領域[7]。為此，應用Digi XBee3無線射頻模塊（XBee3模塊）作為ZigBee智能網(wǎng)絡的通信核心，充分利用XBee3模塊較之傳統(tǒng)藍牙Mesh、Lora具有更低功耗、更遠傳輸距離的特點，設計了一款礦用本安型低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對煤礦井下傳感器的數(shù)據(jù)進行無線采集、傳輸、分析等功能，實現(xiàn)煤礦井下各類傳感器數(shù)據(jù)的共享交換。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設計方案

為了保障煤礦井下傳感器數(shù)據(jù)采集的可靠性、實時性和安全性，所設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用無線通信和有線通信相結合的方式，無線通信使用ZigBee簇狀拓撲結構組網(wǎng)，有線通信使用以太網(wǎng)通信[8]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由XBee終端設備、XBee路由器和XBee協(xié)調器組成。系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram

在環(huán)境復雜、布線困難的綜采工作面使用Zig－Bee無線組網(wǎng)方式對煤礦井下布置的接近傳感器、壓力傳感器等各類傳感器所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行采集和無線傳輸?？紤]到協(xié)調器的帶載能力有限，系統(tǒng)每20臺終端設備設置1臺路由器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的轉發(fā)功能。對于長距離傳輸?shù)男枨?，協(xié)調器將無線模塊接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議篩除無效數(shù)據(jù)后存儲在本地內存卡，并通過以太網(wǎng)通信將協(xié)調器設備接入到已經(jīng)布置在工作面數(shù)據(jù)監(jiān)測分站，最終將數(shù)據(jù)包上傳至云端互聯(lián)網(wǎng)。用戶可以在數(shù)據(jù)監(jiān)測分站或井上監(jiān)控平臺實時查看煤礦井下各類傳感器的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化設計，能夠極大地提升系統(tǒng)的通用性、兼容性和可移植性，便于接入更多的傳感器或拓展系統(tǒng)的其他功能。

2 硬件平臺

系統(tǒng)所設計終端設備以XBee3模塊作為主控單元，使用本安型磷酸鐵鋰蓄電池組供電，電源保護電路具有過載、過流、過壓等保護功能。協(xié)調器以低功耗單片機STM32L431RCT6為主控核心，完成對數(shù)據(jù)的存儲、轉發(fā)和實時交互。路由器與協(xié)調器的硬件電路設計相同，僅需配置XBee3模塊的參數(shù)即可設置其工作模式，從而搭配終端設備一齊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集及傳輸。設備使用外部12 V不間斷本安型電源供電。

2.1 終端設備的硬件

終端設備的主要功能是對煤礦井下布置的傳感器數(shù)據(jù)進行實時采集，并將采集到的模擬量轉換為數(shù)字量，最終將數(shù)據(jù)打包并通過ZigBee網(wǎng)絡路由或者直接傳輸?shù)絽f(xié)調器[9]。終端設備電路原理圖如圖2。

終端設備采用Digi公司開發(fā)的XBee3模塊作為主控核心，XBee3模塊工作電壓為2.1～3.6 V，降低了設備整體功耗。模塊還帶有4路電壓模擬量輸入，使用128位AES（Advanced Encryption Standard，高級加密標準）加密技術來保護網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全，具有4級可配置傳輸功率，能夠滿足無線傳輸?shù)陌踩?、可靠性和低功耗的要求[10-12]。

終端設備設計了供電電路、壓力傳感器檢測電路、機械式接近傳感器檢測電路、供電電池電壓檢測電路和報警電路，可對傳感器檢測值是否超過閾值進行本地監(jiān)測報警。

由圖2可以看出，設計使用DIO4引腳讀取機械接近傳感器的開關狀態(tài)；使用ADC外設AD2監(jiān)測供電電池電壓；使用ADC外設AD1檢測壓力傳感器的模擬電壓量并通過A/D轉換將其轉換為數(shù)字量，由式（1）計算出其壓力值。

圖2 終端設備電路原理圖Fig.2 Circuit diagram of term inal equipment

式中：F為壓力值；VAD1為XBee3模塊ADC外設AD1檢測到的電壓值；a、b為轉換系數(shù)。

為了滿足煤礦對井下設備本質安全參數(shù)的要求[13-16]，根據(jù)GB 3836.4—2010國家標準，終端設備選用4 800 mAh的12 V本安型磷酸鐵鋰蓄電池作為供電電源，電池輸出電壓范圍為11～13 V，最大輸出電流為1 A[17-18]。為了保障終端設備的正常工作，需要將電池電壓降壓至穩(wěn)定的3.3 V電壓。電源管理電路采用TPS54302電源管理芯片，該芯片具有高效智能節(jié)能模式，可以顯著提高輕負載時的電源工作效率，同時降低了功率損耗，進而降低設備總體功耗。電源管理電路如圖3。

圖3 電源管理電路Fig.3 Circuit diagram of power management

2.2 協(xié)調器的硬件

協(xié)調器設備的硬件設計主要包括主控芯片外圍電路、ZigBee通信電路、以太網(wǎng)通信電路、CAN總線通信電路、內存卡存儲電路、液晶顯示電路、按鍵電路等。協(xié)調器的硬件電路結構如圖4。

圖4 協(xié)調器的硬件電路結構Fig.4 Circuit structure of coordinator hardware

協(xié)調器作為ZigBee網(wǎng)絡的核心組網(wǎng)單元，使用ARM Cortex-M4內核的 32位處理器STM32L431RCT6低功耗單片機作為主控芯片。

協(xié)調器的主控芯片與XBee3模塊使用UART串口通信，接收終端設備采集到的數(shù)據(jù)，并對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理。有線通信使用以太網(wǎng)通信或CAN總線通信接入到煤礦井下布置的綜合接收器內，最終將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)監(jiān)測分站和云端。為了保障數(shù)據(jù)安全，防止有線通信故障時數(shù)據(jù)丟失，本系統(tǒng)使用STM32L431RCT6單片機自帶的SDIO接口外接SD卡座，最高支持32 G的內存卡，可以將采集到的數(shù)據(jù)備份存儲在本地，便于工作人員查看歷史信息。液晶顯示電路與按鍵電路配合使用，實現(xiàn)對顯示菜單的翻閱、查詢，以便于煤礦井下一線工作人員實時查看井下采集到的各類傳感器數(shù)據(jù)。協(xié)調器采用外部本安型電源模式供電，保障協(xié)調器能夠不間斷運行。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的軟件設計包括終端設備、路由器和協(xié)調器3部分，終端設備完成對各個傳感器數(shù)據(jù)的無線采集和傳輸；協(xié)調器主要接收終端設備的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行本地存儲，同時通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測分站；路由器僅需將XBee3模塊的工作模式配置為“Route”模式，即可實現(xiàn)相應的路由功能。

3.1 終端設備的程序

設計的終端設備主要完成對液壓支架乳化液泵壓力、護幫板位置和供電電池電壓等數(shù)據(jù)的采集和傳輸。終端設備的程序流程如圖5。

圖5 終端設備的程序流程Fig.5 Process flow chart of end device

終端設備根據(jù)PAN ID（Personal Area Network Identifier，個域網(wǎng)標志符）加入網(wǎng)絡后進入引腳睡眠模式，當引腳觸發(fā)喚醒或者跳出循環(huán)睡眠時喚醒XBee3模塊，此時對壓力傳感器、接近傳感器和供電電池電壓進行檢測，經(jīng)過A/D轉換成數(shù)字量后通過ZigBee網(wǎng)絡將各傳感器狀態(tài)和電池信息發(fā)送給協(xié)調器。當檢測到的數(shù)據(jù)值超出閾值時系統(tǒng)觸發(fā)自動報警裝置，提醒現(xiàn)場工作人員對設備進行檢修。

3.2 協(xié)調器的程序

協(xié)調器主要接收終端設備采集到的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過W5500以太網(wǎng)模塊發(fā)送到煤礦井下布置的綜合接收器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。為了防止通信故障而導致數(shù)據(jù)丟失，協(xié)調器還將數(shù)據(jù)備份在本地內存卡內。協(xié)調器的程序流程如圖6。

圖6 協(xié)調器的程序流程Fig.6 Program flow of coordinator

協(xié)調器上電或者復位后，系統(tǒng)首先初始化各個模塊并配置ZigBee無線網(wǎng)絡，隨后協(xié)調器進入接收模式等待接收終端設備發(fā)送的數(shù)據(jù)包。當接收到固定格式的數(shù)據(jù)包后，協(xié)調器開始對數(shù)據(jù)包進行備份和上傳，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，將接收到的數(shù)據(jù)實時顯示在本地TFT屏上，以便工作人員查看采集到的信息。

4 功能測試

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)RSSI值。在實驗室搭建煤礦綜采工作面的模擬測試環(huán)境，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的協(xié)調器和終端設備進行聯(lián)調。并對RSSI值（Received Signal Strength Indication，接收的信號強度指示值）、丟包率、數(shù)據(jù)吞吐量、ZigBee組網(wǎng)延時等數(shù)據(jù)進行測試。RSSI值和數(shù)據(jù)吞吐量與距離的關系如圖7。由圖7可以看出，當協(xié)調器和終端設備的間距小于2 m時RSSI值隨距離呈線性遞減，當2個設備間距大于2 m時RSSI值呈現(xiàn)出波浪式下降。2臺設備之間的數(shù)據(jù)吞吐量始終維持在4～5.1 kbps，通信信號強度滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。

圖7 RSSI值、數(shù)據(jù)吞吐量與距離的關系Fig.7 The relationship between RSSI and throughput w ith distance

2）對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信性能進行測試，主要測試測試系統(tǒng)的丟包率和通信延時。在不同傳輸距離下，每個間距測試依次向終端設備發(fā)送200個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包共100字節(jié)數(shù)據(jù)，共進行10次重復測試，計算得到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的平均丟包率、通信延時。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信性能測試見表1。由表1可以看出，在150 m內ZigBee組網(wǎng)通信延時較短，通信穩(wěn)定，未出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)包現(xiàn)象。

表1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信測試Table 1 Communication test of data acquisition system

3）電源測試。終端設備電源電路具有寬電壓輸入，輸入電壓范圍在7～28 V，輸出電壓為3.3 V，最大輸出電流為1 A。供電電路靜態(tài)電流僅為93.1 A，滿足系統(tǒng)低功耗的需求。電源管理電路的參數(shù)如下：①輸入電壓：7～28 V；②輸出電壓：3.3 V；③靜態(tài)電流：93.1μA；④最大電流：1 A。使用示波器和專用差分探頭對電源輸出紋波測試，測試結果表明電源輸出紋波峰峰值約為14.9 mV，紋波較小，能夠滿足終端設備和協(xié)調器設備的供電要求。

5 結 語

選用XBee3模塊作為無線通信核心，軟硬件采用模塊化設計，利用嵌入式技術和無線傳感器技術設計了一款礦用本安型低功耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對煤礦井下傳感器數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和閾值超限報警等功能，通過協(xié)調器的人機交互界面可以直觀地實時查看傳感器數(shù)據(jù)。礦用本安型低功耗無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，消除了布線繁瑣的問題，具有組網(wǎng)簡單的優(yōu)點。系統(tǒng)在室內150 m的距離內對數(shù)據(jù)進行測試時，未發(fā)生丟包現(xiàn)象，通信質量穩(wěn)定。