羅小剛

(四川科技職業(yè)學(xué)院，四川 眉山 620564)

煤礦機(jī)電設(shè)備是挖掘煤炭的重要機(jī)器，在我國(guó)的重工業(yè)中占據(jù)著重要的地位，保證煤礦機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，以便準(zhǔn)確記錄設(shè)備的溫度、速度、精度等指標(biāo)。然而，在挖掘煤礦的地下，通常會(huì)存在信號(hào)弱、干擾強(qiáng)、難以準(zhǔn)確傳遞數(shù)據(jù)信息等問(wèn)題，智能化煤礦機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)無(wú)法被準(zhǔn)確、及時(shí)地傳遞到地面。因此，需要改進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)，強(qiáng)化其信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。一些學(xué)者也給出了自己的研究成果：文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種以全維度狀態(tài)監(jiān)測(cè)為中心的穩(wěn)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)控裝置管理程序、狀態(tài)測(cè)量、遠(yuǎn)程調(diào)控、狀態(tài)預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的全維度監(jiān)控。該系統(tǒng)可以保證檢測(cè)過(guò)程中的負(fù)載平衡，但是對(duì)微小故障的數(shù)據(jù)處理以及傳遞能力較差。文獻(xiàn)[2]提出了一種面向SOA以及VPC的斷路器狀態(tài)檢測(cè)可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將不同設(shè)備的狀態(tài)可視化，解決了在大數(shù)據(jù)背景下信息分布不均且傳輸困難等問(wèn)題，作為一個(gè)決策支持系統(tǒng)，為狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備提供了良好的背景，但是該系統(tǒng)只局限于軟件層面的信息收集、整理與分析，沒(méi)有提高硬件方面對(duì)噪聲的處理能力。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備震動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)復(fù)雜的布線設(shè)計(jì)，并利用WiFi技術(shù)將振動(dòng)信號(hào)的峰值與烈度值傳遞到了中央處理器中。該系統(tǒng)可以有效地在不同的傳感器中傳遞數(shù)據(jù)，但是信號(hào)的穩(wěn)定性較差，難以在噪聲的干擾中保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

綜合以上文獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了一種新的智能化煤礦機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)其硬件及軟件進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)采集單元、通信單元組成。整個(gè)系統(tǒng)工作流程：選取TF卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡接口，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集單元電路，將采集的數(shù)據(jù)保存在TF卡中后，將整理分析后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞫酥?，利用射頻芯片接收裝置接收數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)機(jī)電設(shè)備監(jiān)控對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，選取距離最小的線路，得到機(jī)電設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最佳連接路徑，以增強(qiáng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡接口設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，主要的硬件系統(tǒng)共分為3部分，分別是存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)采集單元、通信單元。存儲(chǔ)卡設(shè)計(jì)主要分為SD卡和TF卡2類(lèi)[4]。在智能化煤礦機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)中，需要更小巧的存儲(chǔ)接口以及更快的數(shù)據(jù)傳遞速度。因此，本文的存儲(chǔ)卡接口設(shè)計(jì)選取TF卡。文中設(shè)計(jì)的TF卡接口電路如圖1所示。在圖1中，相比于SD卡，TF卡更加簡(jiǎn)易，這導(dǎo)致其體積容量更小，便于在狹小的空間內(nèi)使用。在低速的接口中具備更加廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。在圖1的電路中，需要采取120 Hz的主頻作為快速運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)置需求，在1 MB的Flash支持中，額外向外擴(kuò)展，以保持相對(duì)應(yīng)的接口完整。在兼容速度與內(nèi)存時(shí)，可以通過(guò)SDIO接口表示以太網(wǎng)的嵌入式通信資源，從而滿足信息傳輸過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。

圖1 TF卡接口電路Fig.1 Interface circuit of TF card

2.2 數(shù)據(jù)采集單元電路設(shè)計(jì)

在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要額外注意保證低通濾波的完整性，以加強(qiáng)對(duì)噪聲的過(guò)濾效果。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集低通濾波電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路Fig.2 Data acquisition circuit diagram

在圖2中，經(jīng)過(guò)低通濾波裝置的電路會(huì)導(dǎo)致頻帶變窄，并降低隨機(jī)噪聲。

在調(diào)高了信噪比之后，對(duì)于該類(lèi)情形，需要將干擾信號(hào)當(dāng)作頻率的截止信號(hào)，并形成一個(gè)較大的衰減頻率[7-8]。在6個(gè)10 kΩ的電阻中，通過(guò)分壓電路可以將傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成濾除噪聲模型，其中的截止頻率需要作為寬帶-40 dB的頻程，防止二極管導(dǎo)入電源電壓。在之后的模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟中，需要采用ADS1282芯片，該芯片的性能較好，可以在-122 dB的諧波中達(dá)到0.65×10-6的失真度，若接口處與微控制器可以有一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生振動(dòng)，則圖2中的2個(gè)電容C1和C2會(huì)在ADS1282芯片內(nèi)部設(shè)置差分低通濾波的頻率，并保證電阻值大于600 Ω[9-10]。此時(shí)的電阻與電容會(huì)直接減小電源頻率，保證數(shù)據(jù)采集的安全與完整。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元射頻芯片接收裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)上文所述的內(nèi)容采集得到數(shù)據(jù)，并保存在TF卡中后，就可以將整理分析后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞫酥?，此時(shí)需要通過(guò)一定的自組網(wǎng)絡(luò)完成PCI型的接口，以便增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的信息傳遞效果。該存儲(chǔ)卡規(guī)格為ZP-7765，且可以支持以太網(wǎng)自行配置最終的性能[11-12]。在遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸部分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以連通WiFi，形成一個(gè)高度集成的芯片，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)線網(wǎng)卡的功能集合在同一款數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品中，并構(gòu)成了一個(gè)支持多種協(xié)議的收發(fā)器，便于接口與外界的通信。此時(shí)高標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳漕l芯片中主要包括3個(gè)通路，其中NT表示信號(hào)發(fā)射窗口，TM表示接收窗口，PR表示信號(hào)放大窗口。在噪聲的增益環(huán)節(jié)，需要設(shè)定傳輸增益25 dB，接收增益31 dB，在這個(gè)高度集成的模塊中，將便攜式的噪聲放大器與功率放大器連接在一起，形成一個(gè)集成式的噪聲負(fù)載控制儀[13-14]。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)傳輸通道的硬件設(shè)計(jì)，可以提高信息傳輸過(guò)程中的效率，減少噪聲的影響，提高信號(hào)接收強(qiáng)度。

圖3 射頻芯片接收裝置Fig.3 Rf chip receiver

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)電設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)位置

在機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，需要在硬件以外及時(shí)地掌握采集并存儲(chǔ)在TF芯片中的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。在機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)存在一些諸如最大值、最小值、平均值的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)可以得到時(shí)間的滑動(dòng)窗口，強(qiáng)化機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性[15]。假設(shè)時(shí)間窗口的大小約為15 s，每1 s有1個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。在允許標(biāo)量相似度存在的前提下，可以得到二者之間距離的計(jì)算公式為：

d(a0，b0)=

(1)

式中，(a0，b0)分別為二者之間距離的橫縱坐標(biāo)；d(a0，b0)為特征屬性的歐式距離；(a1，b1)、(a2，b2)、(an，bn)分別為在x維度的特征屬性標(biāo)量中2個(gè)對(duì)象的歐氏距離[16-17]。

此時(shí)的余弦距離在二維空間中可以表示為：

(2)

式中，α為兩個(gè)對(duì)象的夾角，且cosα的距離范圍為[-1，1]，二者距離越近，α的角度越小，cosα越靠近1。計(jì)算余弦角之后，就可以計(jì)算2個(gè)對(duì)象的信任函數(shù)和似真函數(shù)。

(3)

(4)

式中，p(a)為信任函數(shù)值；k(b)為似真函數(shù)值；h(a)為對(duì)象a的信任度；f(b)為對(duì)象b的信任度。

通過(guò)這2個(gè)函數(shù)，基本可以采集得到2個(gè)近鄰對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，然后得到節(jié)點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。

3.2 連接數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)最佳路徑

如要將存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)在軟件層面?zhèn)鬏數(shù)狡渌O(shè)備中，還需要在節(jié)點(diǎn)中設(shè)定傳輸路徑，其基本流程如圖4所示。在區(qū)分源節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，需要通過(guò)公式區(qū)分計(jì)算各樣本節(jié)點(diǎn)，此時(shí)需要計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，公式為：

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸路徑Fig.4 Node data transmission path

(5)

式中，η為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均吞吐量；x為傳感器設(shè)備的總數(shù)量；v為數(shù)據(jù)在各節(jié)點(diǎn)中的傳輸速度[18]。

在具體的分組過(guò)程中，還需要計(jì)算傳輸結(jié)束后信號(hào)強(qiáng)度的均值，公式為：

(6)

式中，λ為n組節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸均值；xi為第i組數(shù)據(jù)的信號(hào)傳輸強(qiáng)度；n為節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

通過(guò)以上公式，可以選取距離最小的線路，并得到機(jī)電設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最佳連接路徑。

4 應(yīng)用實(shí)例

選取我國(guó)某地中型煤礦作為研究對(duì)象，在礦區(qū)中設(shè)置若干傳感器，作為網(wǎng)絡(luò)連接的通信裝置。搭建監(jiān)控系統(tǒng)主控模塊，連接數(shù)據(jù)采集裝置、轉(zhuǎn)速傳感系統(tǒng)、煤礦挖掘設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源等裝置作為智能化煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的核心裝置，分別測(cè)試3種干擾模式下?tīng)顟B(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的抗噪性能。

系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面Fig.5 System interface

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在智能化煤礦機(jī)電設(shè)備中，可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊來(lái)確定整個(gè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞效果，在此過(guò)程中，可以將手持式測(cè)速儀作為轉(zhuǎn)速的測(cè)量?jī)x器，并將傳感器的信號(hào)連接在煤礦機(jī)電設(shè)備的輸出端口[19]?？紤]到機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)噪聲，需要采樣頻率較高的數(shù)據(jù)采集芯片，采樣頻率為1～10 MHz，分辨率為16 bit。在后臺(tái)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)、上位機(jī)客戶(hù)端等多個(gè)工程節(jié)點(diǎn)都會(huì)相互通信連接，形成一個(gè)數(shù)據(jù)共享的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以使用不同傳感器將信息上傳至同一組數(shù)據(jù)庫(kù)中，從一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中下載信息數(shù)據(jù)至不同的傳感器，并將這些數(shù)據(jù)綜合處理分析，計(jì)算系統(tǒng)對(duì)噪聲的處理能力。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸干擾測(cè)試

分別測(cè)試無(wú)噪聲干擾、單干擾源、雙干擾源3種情況下，智能化煤礦機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力，使用4臺(tái)可以傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備作為本次實(shí)驗(yàn)的核心裝置，其擺放如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸干擾示意Fig.6 Schematic diagram of interference in data transmission

圖6中，每幅圖像中共有4個(gè)設(shè)備，其中A1—A3分別為3臺(tái)傳感器，作為3個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，A4為數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，各設(shè)備之間距離分布均勻，為矩形結(jié)構(gòu)，在圖像的正中心是噪聲干擾的裝置[20]。將所有路由器中的干擾通道全部關(guān)閉，通過(guò)測(cè)試RSSI值直觀地衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信鏈路數(shù)據(jù)抗干擾能力，計(jì)算公式為：

(7)

式中，RSSIt為接收信號(hào)的瞬時(shí)強(qiáng)度；Ii為i時(shí)刻傳感器的瞬時(shí)電流；Qi為i時(shí)刻傳感器的瞬時(shí)電流。

由于1 s內(nèi)可以得到8 192個(gè)RSSIt，則RSSI的平均值計(jì)算公式為：

(8)

式中，RSSIp為1 s內(nèi)8 192個(gè)RSSI的平均值。通過(guò)觀察信號(hào)的好壞，衡量網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳遞過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳輸能力。

開(kāi)啟圖6中所有裝置，使用A4的協(xié)調(diào)器向各傳感器中傳輸數(shù)據(jù)包，以各裝置之間的矩形邊長(zhǎng)距離為變量，分別測(cè)試3個(gè)傳感器的RSSIp值，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，選擇12、16、20三種信道傳輸數(shù)據(jù)，且隨著傳感器直線距離由1 m增加至10 m，信號(hào)接收強(qiáng)度在不斷減弱。在無(wú)噪聲干擾時(shí)，傳感器在12信道中的信號(hào)接收強(qiáng)度由-49.6 dBm降低至-58.6 dBm，16信道中的信號(hào)接收強(qiáng)度由-41.2 dBm降低至-53.5 dBm，20信道的信號(hào)接收強(qiáng)度則是由-58.1 dBm變?yōu)?72.6 dBm。在單干擾源中，3種信道在1～10 m處的信號(hào)接收強(qiáng)度變化情況分別為-46.7～-52.3 dBm、-41.9～-52.6 dBm、-52.8～-68.3 dBm。在雙干擾源中，隨著傳感器間距離的增加，信號(hào)接收能力變化較大，在3種信道中分別為-40.3～-63.8 dBm、-32.9～-60.1 dBm、-46.2～-72.0 dBm。

圖7 信號(hào)接收能力測(cè)試Fig.7 Signal reception capability test

綜合以上數(shù)據(jù)可知，干擾源越多，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懢驮酱?，且隨著傳感器間距離的增加，數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y度也會(huì)隨之變大。在智能化煤礦機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，使用16信道的數(shù)據(jù)傳輸效果最好。

5 結(jié)語(yǔ)

在智能化煤礦機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)硬件與軟件綜合構(gòu)建了一個(gè)可以加強(qiáng)信號(hào)接收能力的系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)中，從存儲(chǔ)、采集、傳輸三方面出發(fā)，在軟件設(shè)計(jì)中，分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置并連接最短節(jié)點(diǎn)路徑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在16信道中的傳輸效果最好，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具備較好的前景。