摘 要： 針對煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜、傳統(tǒng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)存在布線復(fù)雜及數(shù)據(jù)傳輸可靠性不高等問題，提出了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CC2430為主控芯片，采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對礦井通風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，功耗低、成本低廉，具有良好的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞： ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；在線監(jiān)測
通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著排出有害氣體、向井下輸送新鮮空氣、保障礦井安全生產(chǎn)的重要任務(wù)[1]。然而風(fēng)機(jī)由于功率大、耗電量大，并且長期處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，發(fā)生故障的概率是非常大的，一旦風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況出現(xiàn)問題，就會對井下人員生命和國家財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失[2]。目前已經(jīng)有很多比較成熟的煤礦通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，但這些傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線的組網(wǎng)方式，而礦井現(xiàn)場雜亂、環(huán)境惡劣，而通風(fēng)機(jī)所需監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)和參數(shù)眾多且分布分散，這在有些礦井現(xiàn)場存在實(shí)施困難、信號干擾嚴(yán)重等問題，容易導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效傳輸和預(yù)警。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、成本低、放置靈活和自組織的特點(diǎn)[3-4]，為礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測開辟了新途徑。本文針對傳統(tǒng)監(jiān)測方式存在的不足，結(jié)合監(jiān)測區(qū)域的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
本系統(tǒng)由監(jiān)測主機(jī)、一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、風(fēng)速傳感器、振動(dòng)傳感器、負(fù)壓傳感器和溫度傳感器等組成，總體架構(gòu)如圖1所示。
監(jiān)測主機(jī)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口RS-485相連，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時(shí)通過串口傳送到監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)主要由CC2430主控芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、天線接口模塊、按鍵控制模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊組成，如圖2所示。
主控芯片采用TI公司的CC2430，該芯片延用了以往CC2420的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器；使用1個(gè)8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合[5]。
數(shù)據(jù)采集模塊主要由各種傳感器組成，由于CC2430 自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，無需外部模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，可外接多種傳感器作為終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，但傳感器的選擇需要考慮實(shí)際的工作條件，如功耗、精度、干擾性等。負(fù)壓傳感器選用B0300工業(yè)級微壓變送器，一般用于差壓、壓力、負(fù)壓的測量，具有使用壽命長、受動(dòng)壓影響小、可露天安裝等優(yōu)良特性。振動(dòng)信號的采集選用工業(yè)加速度傳感器HS-421，其輸出正比于速度值和交流加速度，適宜于數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器選用鉑熱電阻PT100，其特點(diǎn)是反應(yīng)靈敏、測溫準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定。電源轉(zhuǎn)換模塊為系統(tǒng)提供電源并最大限度降低系統(tǒng)功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用直流電源供電。按鍵實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的通信控制及復(fù)位等功能。
2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測主機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)出主機(jī)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測主機(jī)上。與傳感器節(jié)點(diǎn)相同，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用CC2430作為核心，硬件電路包括CC2430主控芯片、天線接口模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、串口模塊、JTAG調(diào)試接口模塊和LED指示模塊，如圖3所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 傳感器的軟件流程
傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的被測參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過天線接口模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求命令后才會進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，沒有數(shù)據(jù)請求時(shí)轉(zhuǎn)入休眠模式以減少能量消耗。傳感器軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
3.2 協(xié)調(diào)器的軟件流程
協(xié)調(diào)器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，既負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、對網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、讀取傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息，又將這些信息傳給監(jiān)測主機(jī)并向網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)下達(dá)監(jiān)測主機(jī)的命令。協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。
3.3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在監(jiān)測主機(jī)中，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測軟件使用組態(tài)王KingView6.53開發(fā)，其優(yōu)點(diǎn)在于可視化、圖形化顯示，人機(jī)界面友好，對用戶而言便于進(jìn)行二次開發(fā)。系統(tǒng)主要功能包括：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前正處于運(yùn)行狀態(tài)的通風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)并發(fā)出控制指令；對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的超限參數(shù)實(shí)施報(bào)警并記錄，方便以后查詢；實(shí)時(shí)的報(bào)表輸出及打印功能；歷史數(shù)據(jù)查詢畫面能夠隨時(shí)查詢?nèi)魏螘r(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)；以曲線圖形顯示監(jiān)測與處理的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
本文提出的以CC2430為主控芯片，基于ZigBee技術(shù)的礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，省去了傳感器與監(jiān)測主機(jī)之間的大量布線，大大減少了工程成本，組網(wǎng)簡單、開銷小、自組織能力強(qiáng)，非常適合于煤礦井下特殊的環(huán)境。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用使得礦井通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)更加自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，有力地保證了通風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行，為設(shè)備的管理和維修提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。
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