任彥峰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

液壓支架是煤礦綜采面重要的支護(hù)設(shè)備，可有效防止煤礦碎塊掉落威脅到人身設(shè)備安全，對煤礦的安全生產(chǎn)具有非常重要的作用。目前采用的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)大多采用PLC控制器配合有線數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行監(jiān)測，存在占用空間大、有線布線復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問題，電纜線很有可能隨著液壓支架落架、移架等操作破損斷裂，從而導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)的中斷，工作人員將無法實時了解液壓支架的動態(tài)壓力變化，存在很大的安全隱患[1-2]。

因此，依托MSP430單片機和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一套液壓支架微型監(jiān)測系統(tǒng)并展開分析。

1 監(jiān)測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)方案

圖1所示為基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)框圖。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)方案

該監(jiān)測系統(tǒng)由以下部分組成：遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、光纖以太環(huán)網(wǎng)、CAN總線轉(zhuǎn)以太環(huán)網(wǎng)模塊、壓力采集節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點等。其中，壓力采集節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點共同組成ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，替代原有的井下有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，由壓力采集節(jié)點采集液壓支架的壓力信息，匯聚融合傳給路由器節(jié)點，再由路由器節(jié)點上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點，通過光纖以太環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸給地面的控制中心，同時控制中心也可通過同樣的通道下達(dá)控制指令，實現(xiàn)信息的上傳下達(dá)；CAN總線轉(zhuǎn)以太環(huán)網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)將在協(xié)調(diào)器節(jié)點和光纖以太環(huán)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 硬件部分結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.1 壓力采集節(jié)點方案設(shè)計

圖2所示為壓力采集節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖。壓力采集節(jié)點由MSP430單片機、壓力傳感器、信號調(diào)制電路、ZigBee模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、聲光報警裝置、供電模塊等組成。其中，MSP430單片機是核心處理器；壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測液壓支架各個位置的壓力信號，信號調(diào)制電路負(fù)責(zé)將壓力信號轉(zhuǎn)換為單片機可接收的電信號；ZigBee模塊負(fù)責(zé)與路由器節(jié)點進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸；供電模塊通過不同的穩(wěn)壓芯片分別為壓力傳感器、信號調(diào)制電路、ZigBee模塊供電；聲光報警裝置負(fù)責(zé)超限預(yù)警；液晶顯示模塊負(fù)責(zé)顯示壓力數(shù)據(jù)；鍵盤輸入模塊負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)定。

圖2 壓力采集點硬件方案框圖

壓力傳感器選用SLM211硅壓阻式壓力傳感器，為減小溫度對測量精度的影響，采用恒流源對傳感器進(jìn)行供電；MSP430單片機具體型號選用MSP430F5438單片機，該型號單片機體積小、功耗低、擴展性強，可以擴展ZigBee等功能模塊[3]。

2.2 信號調(diào)制電路設(shè)計

壓力傳感器SLM211量程為0～30 mV左右，數(shù)據(jù)信號微弱，單片機MSP430無法識別，因此必須通過信號調(diào)制電路將傳感器輸出的電壓信號放大才能上傳給單片機進(jìn)行處理。為此，本文專門設(shè)計了信號調(diào)制電路，選用的運算放大器為AD620，供電電壓為±2.3～±18 V，該運算放大器體積小、功耗低、精度高、噪聲低，通過一個外部電阻就能設(shè)定1～1 000倍的放大系數(shù)。信號調(diào)制電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)制電路設(shè)計

2.3 ZigBee無線通信方案設(shè)計

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由壓力采集節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點共同組成?？紤]礦井工作環(huán)境各方面因素，綜合考慮開發(fā)成本、功耗、硬件設(shè)計復(fù)雜度，三者皆采用無線通訊模塊CC2530[4]。

路由器節(jié)點主要是用于匯聚壓力采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，同時延長數(shù)據(jù)傳輸距離，由供電模塊和CC2530模塊組成。供電模塊采用了穩(wěn)壓芯片REG1117-3.3，將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓進(jìn)行供電。路由器節(jié)點的硬件框圖如圖4所示。

圖4 路由器節(jié)點硬件框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點由隔爆型本安電源、電壓轉(zhuǎn)換電路、CC2530模塊、報警電路、液晶顯示屏、CAN總線通信電路組成，主要負(fù)責(zé)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚融合、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與光纖以太環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的接收、報警、顯示等功能。圖5所示為協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件框圖。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件框圖

2.4 CAN總線通信電路設(shè)計

CAN總線通信電路用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點與光纖以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。本系統(tǒng)設(shè)計的CAN總線通信電路圖如圖6所示。通信電路由CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器CTM1050T構(gòu)成，通過這兩個模塊互相配合，大幅提高了CAN通信電路的抗電磁輻射、干擾能力。

圖6 CAN總線通信電路設(shè)計

MCP2515模塊與CC2530模塊之間采用串行外設(shè)接口SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中，CC2530模塊作SPI主控制器，MCP2515模塊作SPI從控制器，通過這種傳輸方式，不僅提高了數(shù)據(jù)通信的速率、可靠性，也減少了對CC2530模塊I/O的使用。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

軟件程序設(shè)計過程中，包含三部分內(nèi)容：壓力采集節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序、協(xié)調(diào)器節(jié)點程序。對于壓力采集節(jié)點程序設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，由主程序?qū)嵭姓{(diào)用子程序，程序模塊包括主程序、ZigBee通信子程序、壓力信號轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤輸入子程序、報警子程序、液晶顯示子程序等。

對于壓力采集節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點中CC2530應(yīng)用程序的開發(fā)，系統(tǒng)統(tǒng)一采用ZigBee2007協(xié)議棧在IAR軟件平臺上進(jìn)行開發(fā)。編程語言使用C、C配合匯編語言編寫程序并進(jìn)行編譯、調(diào)試[5]。下頁圖7所示為MSP430單片機主程序流程框圖。

圖7 壓力采集節(jié)點主程序流程框圖

下頁圖8所示為壓力采集節(jié)點中CC2530模塊的程序流程框圖。

圖8 壓力采集節(jié)點CC2530程序流程框圖

4 實際應(yīng)用效果分析與總結(jié)

目前，該監(jiān)測系統(tǒng)已完成調(diào)試，并在礦井現(xiàn)場實施安裝和投入使用。經(jīng)投入運行一年來，效果表明：監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能均可滿足設(shè)計要求，設(shè)備功耗低，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高，尤其是設(shè)備在安裝過程中，無線方式節(jié)省了大量人力、物力和空間，突顯出了很大的優(yōu)勢。該系統(tǒng)可對0～60 MPa的壓力值進(jìn)行測試，為了進(jìn)一步體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性，將礦井現(xiàn)場實際采集到的液晶顯示屏上的壓力值與上位機上顯示的壓力值進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 礦井壓力實際采集值與上位機顯示值對比

通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者得到的壓力值誤差小于1%，表明該無線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測井下液壓支架壓力數(shù)值的變化。

5 結(jié)論

基于MSP430微型控制技術(shù)和ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了一套可通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行液壓支架壓力監(jiān)測的系統(tǒng)，不僅可以避免有線傳輸方式存在的電纜易破損、占用空間大的問題，而且安裝方便，提高了系統(tǒng)監(jiān)測、傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，降低了監(jiān)測誤差，以及系統(tǒng)的運行功耗，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用壽命，廣泛應(yīng)用于對礦井液壓支架壓力的監(jiān)測中。