馮曉劍

(山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300)

0 引言

隨著工業(yè)規(guī)模的擴大，我國對能源的需求日益增長，其中煤炭是我國消耗量最大的一次能源，約占能源消費總量的70%。因此煤炭產(chǎn)業(yè)的高效與安全對我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。自動化技術(shù)的迅速發(fā)展大幅提高了煤礦機械化程度，使得礦井的生產(chǎn)成本進一步降低，但機械化設(shè)備突然發(fā)生故障或損壞時，將對煤礦企業(yè)造成經(jīng)濟損失并對工作人員的人身安全造成威脅。井下復雜惡劣的環(huán)境意味著煤礦產(chǎn)業(yè)的高危險性，采煤機極易出現(xiàn)故障或損壞，因此本文設(shè)計了一種新型的基于無線網(wǎng)絡(luò)的采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以實時檢測出采煤機的故障狀態(tài)，快速消除或預防故障，從而提高采煤機的使用壽命和可靠性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)技術(shù)最初在20世紀70年代被應用于軍用設(shè)備，美國空軍基于該技術(shù)發(fā)明了一種空中報警設(shè)備，可進行點對點通信以實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控。1980年，美國研究機構(gòu)DAPRA設(shè)計了一種由多個傳感器節(jié)點連接形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

近年來，國外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究取得了較大進展，例如澳大利亞學者開發(fā)了一種可適應復雜環(huán)境的無線傳感器，提高了無線通信距離；泰國學者設(shè)計了基于無線傳感器的定位系統(tǒng)，使得定位誤差進一步減小。我國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也取得了一定成果，如中科院開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息監(jiān)控系統(tǒng)；西南交大設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)病房監(jiān)護系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點多且密度大、分布式結(jié)構(gòu)、自動組網(wǎng)及無需布線等優(yōu)點，非常適合應用于礦井復雜環(huán)境下設(shè)備的監(jiān)測。

ZigBee技術(shù)是用于組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的先進技術(shù)，具有延時短、成本低、功率損耗小、穩(wěn)定性高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活等特點，已成為近年來的研究熱點，因此本文采用ZigBee技術(shù)組建采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求與總體設(shè)計

2.1 采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求

因礦井下工作環(huán)境較為惡劣，要準確并穩(wěn)定實現(xiàn)對采煤機狀態(tài)的實時監(jiān)測，采煤機監(jiān)測系統(tǒng)需滿足以下幾個要求：

(1)體積?。翰擅簷C在礦井綜采工作面運行時，機械部件易與外部土壤、石塊等發(fā)生碰撞，因此應避免監(jiān)測設(shè)備安裝在易與外部摩擦發(fā)生故障或損壞的位置，同時應滿足方便監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的要求，所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備應足夠小。根據(jù)實際應用情況，本文設(shè)計的采煤機監(jiān)測設(shè)備的尺寸不大于80 mm×60 mm×60 mm。

(2)功率損耗小：監(jiān)測設(shè)備一旦被安裝在采煤機上后應避免頻繁拆卸，因此應選擇耗電量低的元件，同時應盡量降低采樣信號的傳輸頻率。

(3)易擴展：目前所設(shè)計的采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測位置較少，考慮到未來監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢應是礦井的全面監(jiān)測，設(shè)計時應考慮到監(jiān)測系統(tǒng)的可擴展能力。

(4)成本低：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量較大，因此成本問題不可忽略。在監(jiān)控系統(tǒng)可快速與穩(wěn)定地對采煤機狀態(tài)進行監(jiān)測的前提下，應盡量通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)需要的功能，并優(yōu)化硬件設(shè)計從而降低整個系統(tǒng)的建設(shè)成本。

2.2 采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

采煤機需要監(jiān)測的狀態(tài)信息主要是其工作過程中的溫度與振動頻率，一旦溫度超標或振動頻率不在正常范圍時，監(jiān)測系統(tǒng)應能快速判斷出故障情況并進行報警。本文基于采煤機的設(shè)備特點與礦井工作環(huán)境，對采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，為縮小整個系統(tǒng)的體積，整個監(jiān)控系統(tǒng)分為采樣與監(jiān)測兩個部分。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由機器狀態(tài)數(shù)據(jù)采樣模塊(傳感器節(jié)點)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(匯聚節(jié)點)、監(jiān)控上位機(管理節(jié)點)構(gòu)成。圖1為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

采煤機狀態(tài)數(shù)據(jù)采樣模塊由溫度傳感器與振動傳感器對采煤機工作時的溫度與振動信號進行采樣和處理，傳感器可對采煤機上多個位置進行溫度和振動頻率采樣，數(shù)據(jù)傳輸模塊則以無線通信的方式將采樣得到的信號傳送至監(jiān)控上位機，最終由上位機軟件對數(shù)據(jù)信息進行分析以判斷采煤機是否發(fā)生故障。

3 采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

監(jiān)測系統(tǒng)由兩種功能不同的設(shè)備組成，即協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器通過創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)MODE_HARD實現(xiàn)初始化，終端設(shè)備則通過鏈接模式MODE_JOIN啟動；若設(shè)備已處于在線狀態(tài)，則設(shè)備狀態(tài)為MODE_RESUME；若設(shè)備掉線重連，則網(wǎng)絡(luò)名應為MODE_REJOIN。

無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有以下兩個步驟：

(1)協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中只有一個協(xié)調(diào)器，可認為其是整個監(jiān)測系統(tǒng)的大腦。首先對節(jié)點進行格式化，再進行初始化和分配網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層NWK給每個終端設(shè)備分配唯一的IP地址，從而區(qū)分不同的終端設(shè)備。

(2)將終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，本文所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)采用無需路由器的星型連接方式，便于維護與修理。終端設(shè)備上電后，首先對其進行格式化，然后搜索網(wǎng)絡(luò)并申請加入網(wǎng)絡(luò)；申請發(fā)出后，協(xié)調(diào)器接收到此申請，向終端設(shè)備反饋允許信息，終端設(shè)備接收到此信息后即可加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2 數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)程序設(shè)計

無線通信技術(shù)的成熟使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應用，采煤機中需測量的數(shù)據(jù)首先需通過傳感器采樣和處理得到可分析的信號。整個監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)傳輸與上位機監(jiān)測3部分組成。不同類型的數(shù)據(jù)均由相應的傳感器進行采樣處理和傳輸，如溫度與振動頻率的數(shù)據(jù)分別由溫度傳感器DS18B20和加速傳感器ADXL345采樣得到，再通過編程將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用信號。

數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)程序主要包括微處理器的初始化程序、溫度數(shù)據(jù)的采樣程序及振動數(shù)據(jù)的采樣程序。本文采用的微處理器為MSP430，要對其進行初始化，首先需對微處理器進行格式化，關(guān)閉看門狗程序，對寄存器選擇外部時鐘源，將24 MHz頻率的晶振作為主時鐘和子時鐘，32 768 Hz的晶振作為輔助時鐘；隨后對I/O接口與通訊初始化，選擇對應的寄存器設(shè)置I/O接口狀態(tài)、輸入輸出方向，并設(shè)置采樣率、程序執(zhí)行位置及終止位置等。圖2為MSP430微處理器的初始化流程。

圖2 微處理器初始化流程圖

通過溫度傳感器的DQ引腳與微處理器的P10.6引腳連接，從而實現(xiàn)溫度的采樣與控制。在向溫度傳感器發(fā)送控制信號前，需得到其時序圖，才能準確實現(xiàn)對溫度傳感器的控制。微處理器與傳感器之間的傳輸分為4步，即復位、ROM運行指令、RAM存儲器運行指令及信號處理。振動數(shù)據(jù)的采樣與溫度數(shù)據(jù)采樣的步驟一樣，也需得到加速傳感器ADXL345的時序圖，以實現(xiàn)對振動頻率的控制。

4 結(jié)束語

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在多個行業(yè)得到廣泛應用，本文將其應用于采煤機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對采煤機狀態(tài)的實時監(jiān)測，有利于降低采煤機的事故率并提高煤礦的生產(chǎn)效率。