張靜

（新疆維吾爾自治區(qū)哈密市檢驗(yàn)檢測(cè)中心，新疆哈密，839099）

0 引言

自第二次工業(yè)革命以來(lái)，煤炭在世界能源消費(fèi)中占有相當(dāng)大的比例[1]。鑒于我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀，煤炭在我國(guó)一次能源生產(chǎn)中比例高達(dá)70%。通過(guò)技術(shù)更迭，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效、安全、智能開(kāi)采和清潔利用，是我國(guó)煤炭工業(yè)高效持久發(fā)展的重要方向[2]。多年以來(lái)，因煤機(jī)設(shè)備年久失修等因素導(dǎo)致的煤炭安全事故頻發(fā)。如果在設(shè)備故障發(fā)生前實(shí)現(xiàn)提前預(yù)判，將有效減少事故發(fā)生概率。目前，煤機(jī)故障多由于磨損、老化、疲勞、沖擊等引起，外在表現(xiàn)為設(shè)備振動(dòng)和溫度參數(shù)突變[3]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種具有多參量傳感供能的煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備加速度、溫度參量的實(shí)施測(cè)量，旨在為提高煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)效率、提高煤炭生產(chǎn)效率、降低煤礦安全事故發(fā)生率提供了新的解決方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思路，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照功能實(shí)現(xiàn)的不同來(lái)分成不同部分，各個(gè)部分相互配合完成煤機(jī)設(shè)備溫度、加速度參數(shù)的測(cè)量任務(wù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，由于鋰電池具有小巧便攜、易更換特點(diǎn)，因此模塊整體采用鋰電池供電。主控芯片（ESP32）實(shí)時(shí)獲取溫度傳感器和加速度傳感器采集重型煤機(jī)設(shè)備關(guān)鍵部位溫度和振動(dòng)信息，然后分析采集到的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)接收器，最后上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示通過(guò)接收器接收到的溫度和加速度參數(shù)信息。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊（溫度與加速度傳感器）、主控模塊（ESP32 芯片）及數(shù)據(jù)接收模塊組成。上述模塊相互協(xié)同，可完成對(duì)煤機(jī)設(shè)備溫度、振動(dòng)信息的測(cè)量與傳輸。

■2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊利用溫度傳感器和加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)煤機(jī)裝備溫度和振動(dòng)信息的實(shí)時(shí)采集。本文選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和ADXL345 三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)上述功能。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器作為成熟器件，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、采集精度高和電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特性，且工作電壓低至3V，可有效降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功耗。圖2(a)為溫度傳感器模塊電路原理圖。ADXL345 三軸加速度傳感器可有效采集機(jī)械設(shè)備各個(gè)方向加速度變化量，其分辨率高達(dá)3.9 mg/LSB，且具有超低功耗特性（連續(xù)工作時(shí)功耗僅為0.429 mW），同樣也可有效降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功耗。圖2(b)為三軸加速度傳感器模塊電路原理圖。

圖2

■2.2 主控模塊

主控芯片的作用是控制傳感模塊進(jìn)行信息采集并將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī)，本文采用低功耗ESP32 芯片作為主控芯片。ESP32 芯片除具有邏輯控制功能外，還集成無(wú)線傳輸模塊，可有效減小PCB 電路板整體面積。圖3 為主控模塊電路原理圖。

圖3 ESP32 主控模塊電路原理圖

■2.3 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊與上位機(jī)相連，負(fù)責(zé)接收主控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。本文選用2.4 GHz 無(wú)線傳輸芯片NRF24L01作為無(wú)線接收芯片。該芯片工作電壓為3.3 V，在接收狀態(tài)工作時(shí)的電流僅有12.3 mA。圖4 為NRF 24L01 模塊電路原理圖。

圖4 NRF24L01 模塊電路原理圖

系統(tǒng)采用模塊化理念展開(kāi)PCB 電路板布板工作，依據(jù)各個(gè)模塊功能，獨(dú)立進(jìn)行PCB 電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，應(yīng)考慮煤機(jī)設(shè)備特點(diǎn)和系統(tǒng)整體尺寸，采用小型化設(shè)計(jì)，盡可能節(jié)約系統(tǒng)實(shí)物空間資源。設(shè)計(jì)完成的電路PCB 圖和電路板實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 PCB 電路板設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

煤機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用主控芯片管理其中各個(gè)模塊之間工作與通信，并對(duì)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與判斷。數(shù)據(jù)傳輸部分只需主控芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)單元，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。傳感模塊軟件邏輯設(shè)計(jì)至關(guān)重要，若邏輯時(shí)序錯(cuò)誤，將無(wú)法采集到有用數(shù)據(jù)。其次，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功耗的降低，需針對(duì)主控芯片設(shè)計(jì)智能喚醒算法。

■3.1 傳感模塊邏輯設(shè)計(jì)

溫度傳感芯片時(shí)序邏輯如圖6(a)所示，主控芯片向DS18B20 芯片寫(xiě)入1 或0 時(shí)均需至少持續(xù)60 μs 且獨(dú)立至少有1μs 的恢復(fù)時(shí)間。DS18B20 芯片僅在讀時(shí)段才會(huì)向主控芯片傳輸數(shù)據(jù)，主控芯片在執(zhí)行完讀取模式后，必須及時(shí)生成讀時(shí)段，這樣才能采集到所需數(shù)據(jù)并傳輸至主控芯片。圖6(b)為ADXL345 加速度傳感芯片時(shí)序邏輯圖，主控芯片控制串口使能端口在傳輸起點(diǎn)變成低電平，然后在傳輸終點(diǎn)變成高電平。SCLK 為主控芯片提供的時(shí)鐘，SDI 和SDO分別為串行數(shù)據(jù)輸入和輸出，時(shí)鐘下降沿時(shí)傳感芯片采集到的數(shù)據(jù)得到更新，在時(shí)鐘上升沿時(shí)進(jìn)行采樣并發(fā)送至上位機(jī)。

圖6 傳感模塊時(shí)序邏輯圖

■3.2 智能喚醒算法邏輯設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)若持續(xù)處于工作狀態(tài)，則會(huì)消耗大量鋰電池電量，進(jìn)而降低系統(tǒng)續(xù)航。因此，當(dāng)重型煤機(jī)設(shè)備處于非工作狀態(tài)時(shí)，監(jiān)控模塊應(yīng)當(dāng)處于休眠狀態(tài)，從而提升監(jiān)測(cè)效率。如圖7 所示，本文提出一種智能喚醒算法，當(dāng)系統(tǒng)通電完成初始化后，傳感器將采集設(shè)備溫度、振動(dòng)信息。主控芯片開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，假如獲取的參數(shù)超過(guò)設(shè)定值，則主控芯片將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。接著，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步判斷是否繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，若超出閾值，則發(fā)送數(shù)據(jù)；若未超出閾值，則先發(fā)出15 組數(shù)據(jù)作為安全監(jiān)測(cè)值，然后繼續(xù)進(jìn)行判斷，假如仍然低于閾值，則系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，反之則進(jìn)入工作模式。

圖7 智能喚醒算法邏輯框圖

■3.3 系統(tǒng)主體程序

根據(jù)上文所屬邏輯功能，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要程序如下：

4 測(cè)試結(jié)果

本文利用高低溫箱和振動(dòng)臺(tái)模擬煤機(jī)設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，經(jīng)過(guò)多輪循環(huán)測(cè)試后，傳感器的監(jiān)測(cè)到的溫度值和加速度值均與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值無(wú)較大偏差。

圖8 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)需求，面向我國(guó)煤機(jī)智能化健康發(fā)展戰(zhàn)略需求，以煤機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為目的，提出了具有多參量傳感功能的監(jiān)測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備機(jī)械振動(dòng)、溫度變化的實(shí)施監(jiān)測(cè)，結(jié)合上位機(jī)軟件，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)煤機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警。