基于Zigbee的礦井?dāng)?shù)據(jù)采集綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

梁艷超，程永強(qiáng)

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

依據(jù)各種狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控井下狀況，保持井下信息傳遞的通暢性，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。而目前礦井內(nèi)的通信以及電源的供給大多還使用有線電纜，施工難度大、成本高、安全設(shè)計(jì)復(fù)雜。因此采用電池供電和無(wú)線通信相對(duì)于有線電纜具有明顯的優(yōu)勢(shì)。基于Zigbee[1－3]的礦用數(shù)據(jù)采集綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中繼器進(jìn)行處理和保存，各部分均使用電池供電，節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)采集，而且中繼具有友好的人機(jī)交互界面和觸摸屏，能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜靈活的控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Zigbee的礦用數(shù)據(jù)采集綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由節(jié)點(diǎn)和中繼兩部分組成，如圖1所示。節(jié)點(diǎn)主要位于礦井中巷道的上方，每隔30～50m設(shè)一個(gè)，它的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳遞。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由Zigbee模塊和傳感器模塊組成，傳感器模塊將待采集量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再由Zigbee模塊將這些信息通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅會(huì)將本節(jié)點(diǎn)的信息采集并發(fā)送，還會(huì)將上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)打包并與本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣各個(gè)節(jié)點(diǎn)接力似地將信息依次傳遞下去，組成了一個(gè)線型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)其中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳過這個(gè)節(jié)點(diǎn)，與下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)最終會(huì)傳送給中繼，中繼再將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，并存儲(chǔ)于Flash中，以便以后查閱。顯示模塊是一個(gè)人機(jī)交互界面，通過它可以按節(jié)點(diǎn)、按時(shí)間查看數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以折線的形式顯示出來(lái)，也可以通過觸摸操作對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。主控芯片采用TI的CC2530射頻芯片[4－8]，天線采用 PCB天線的方式，減小了空間。為了保障信號(hào)能在井下順利傳輸，CC2530射頻前端加增了功率放大芯片CC2591[9]，可以使最大發(fā)射功率增加到20dBm。而且多種發(fā)射功率可調(diào)，增加了設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若RSSI（接收的信號(hào)強(qiáng)度指示）值大于－80為理想值，在增加功放芯片CC2591以后即使在150m（本平臺(tái)節(jié)點(diǎn)間通信距離最遠(yuǎn)為100m）處，16dBm的發(fā)射功率也能滿足要求。

節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線傳輸，不能采用外接電源，也不能更換電源，因此必須采用大容量電池的同時(shí)，也要減小系統(tǒng)功耗，而且電源芯片的選擇也決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中電池采用的是19AH的鋰氬電池。平臺(tái)每次從睡眠中喚醒工作后的平均工作電流是50mA，每次工作時(shí)間60s，每半個(gè)小時(shí)喚醒一次，相當(dāng)于一天工作48次，這樣系統(tǒng)可工作的時(shí)間T＝1／0.05×60×19／48＝475天。每個(gè)節(jié)點(diǎn)礦下的生命周期為1年左右，符合系統(tǒng)要求。穩(wěn)壓電源采用TI的具有超低操作電流的3.3V低紋波充電泵tps60211。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠時(shí)，芯片可以工作在snooze模式，這樣能使芯片進(jìn)入2μA的極低功耗狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)從休眠狀態(tài)喚醒后，芯片又會(huì)進(jìn)入正常的工作模式，以保證正常的電流供給。為了進(jìn)一步降低功耗，基準(zhǔn)電源、傳感器的電源均通過開關(guān)管AO3401由單片機(jī)控制，在不使用的情況下，這些器件都會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)。

CC2530的P0口可配置為八路12位ADC，其精度滿足平臺(tái)要求。為了保證CC2530在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)的精度，在P0.7引腳使用了基準(zhǔn)電壓源REF3030[10]，它能提供了3V、0.2%高精度的基準(zhǔn)電壓。所以平臺(tái)提供了多達(dá)七路可自由使用的ADC，結(jié)合不同類型的傳感器可以多點(diǎn)采集不同的信息量。

2.2 中繼硬件設(shè)計(jì)

中繼硬件框圖如圖3所示。主控芯片采用STM32F103VET6[11]，內(nèi)嵌uc／OS操作系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能；結(jié)合ucGUI，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面和復(fù)雜靈活的系統(tǒng)功能；Zigbee通信模塊與STM32主控芯片過SPI接口相連；顯示器采用10.9cm（4.3英寸）、分辨率為320×240像素的TFT液晶屏；控制器為SSD1963，使用CPU的FSMC功能驅(qū)動(dòng)；觸摸屏為四線電阻屏，接口采用SPI接口，可顯示人機(jī)交互界面，并能通過觸摸屏對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的讀取操作；閃存存儲(chǔ)器用于將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，以便查閱分析，閃存芯片采用3片M25P64閃存芯片[12]。使用SPI串行接口進(jìn)行讀寫操作，方便高速。存儲(chǔ)器按天分段，按時(shí)間分頁(yè)，如果一個(gè)系統(tǒng)有100個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩路數(shù)據(jù)，每半個(gè)小時(shí)喚醒發(fā)送一次，存儲(chǔ)一年的數(shù)據(jù)量為402B×48×365天＝7043040B。考慮到節(jié)點(diǎn)數(shù)可能增加和日期可能增長(zhǎng)等情況，設(shè)計(jì)中的3×64Mbit的容量完全可以滿足要求。中繼電池采用5節(jié)3.2V、5AH磷酸鐵鋰電池。電源芯片采用TI的tps63001。它具有1.8～5.5V的寬輸入電壓范圍，高達(dá)96%的效率，1.2A的輸出電流。符合中繼的供電要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)協(xié)議流程及其數(shù)據(jù)的流動(dòng)方向如圖4、表1所示。未采用TI的Z-Stack協(xié)議棧，首先是因?yàn)橄到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)比較特殊，節(jié)點(diǎn)分布在巷道中；其次，由于系統(tǒng)對(duì)功耗要求比較高，為降低功耗要求程序越簡(jiǎn)單越好，所以采用了自定義的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議。

圖4 協(xié)議流程

表1 數(shù)據(jù)流動(dòng)方向

3.1.1 數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)格式

一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)由4個(gè)部分構(gòu)成，分別是命令字段、數(shù)據(jù)編號(hào)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)字段。命令字段有2個(gè)字節(jié)，用來(lái)表示本數(shù)據(jù)報(bào)的作用，即指明將要完成什么功能；數(shù)據(jù)編號(hào)字段有2個(gè)字節(jié)，表示該數(shù)據(jù)的次序編號(hào)；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字段有2個(gè)字節(jié)，說明數(shù)據(jù)字段中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)字段為可變長(zhǎng)度，最長(zhǎng)為100字節(jié)，它存放了需要處理的數(shù)據(jù)。

3.1.2 通信協(xié)議描述

由于節(jié)點(diǎn)對(duì)次序的要求嚴(yán)格，所以，安裝的時(shí)候也要按照次序，先從近節(jié)點(diǎn)依次向遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)安裝，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在下井安裝前都已經(jīng)接通電源，但處于低功耗狀態(tài)，先用中繼將待安裝節(jié)點(diǎn)激活。節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址出廠值都為0x0000，中繼的出廠地址固定為0x0001。此時(shí)中繼先發(fā)初始化命令，如果系統(tǒng)中沒有節(jié)點(diǎn)，中繼向0x0000地址發(fā)送，如果系統(tǒng)中已經(jīng)有節(jié)點(diǎn)，中繼則向最近的節(jié)點(diǎn)上發(fā)送；節(jié)點(diǎn)收到命令后，判斷為地址數(shù)據(jù)時(shí)，若本地地址為0x0000，則將地址取出，作為本地地址；如果本節(jié)點(diǎn)為最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則向0x0000地址發(fā)送。如果不是最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞命令；節(jié)點(diǎn)得到地址信息后，則向上一節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功指令。依次傳遞到中繼，節(jié)點(diǎn)初始化過程完成。

節(jié)點(diǎn)初始化完成后，就進(jìn)入接收同步時(shí)間狀態(tài)。如果收到的是同步時(shí)間命令，則首先把命令發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后將數(shù)據(jù)字段中的時(shí)間取出，其中一部分為時(shí)間的基準(zhǔn)，其作用是避免長(zhǎng)時(shí)間工作引起的累積時(shí)間誤差；另一部分為睡眠時(shí)間，其作用是決定下次喚醒的時(shí)間。時(shí)間設(shè)定完成后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果此時(shí)收到的是數(shù)據(jù)命令，則說明此節(jié)點(diǎn)狀態(tài)錯(cuò)誤，節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)并處理數(shù)據(jù)，若本節(jié)點(diǎn)為最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則同樣進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，睡眠開始。

當(dāng)喚醒時(shí)間到，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)進(jìn)入接收時(shí)間狀態(tài)。如果在除等待初始化地址狀態(tài)以外的任何狀態(tài)等待超過2min，則認(rèn)為通信失敗，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)超過3次通信失敗，節(jié)點(diǎn)將不再進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到通信成功。

在任何發(fā)送狀態(tài)時(shí)，如果在發(fā)送完成后30ms內(nèi)沒有接收到目地節(jié)點(diǎn)發(fā)回來(lái)的應(yīng)答，則再次發(fā)送；如此反復(fù)20次，20次后也未收到應(yīng)答消息，則認(rèn)為發(fā)送失敗。接收端收到數(shù)據(jù)后，為確保發(fā)送端能接收到應(yīng)答信號(hào)，接收端將每隔5ms無(wú)條件發(fā)送5次應(yīng)答，然后進(jìn)入下一狀態(tài)。

本系統(tǒng)還有其他命令，與上述過程相似，不再贅述。

3.2 中繼軟件設(shè)計(jì)

中繼的顯示界面使用ucGUI設(shè)計(jì)，使用觸摸屏進(jìn)行操作。主要功能包括：節(jié)點(diǎn)初始化、時(shí)間設(shè)置、日期設(shè)置、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)按節(jié)點(diǎn)查詢、按時(shí)間查詢、繪制折線、數(shù)據(jù)清除等。

系統(tǒng)主要建立了2個(gè)任務(wù)：主任務(wù)（用戶界面任務(wù)）和觸摸屏任務(wù)（SPI串口任務(wù)）。主任務(wù)還負(fù)責(zé)通過SPI接口向Zigbee模塊發(fā)送命令，再由Zigbee模塊將命發(fā)送出去；而當(dāng)Zigbee模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)，也通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主任務(wù)進(jìn)行處理。中繼上的Zigbee通信模塊定時(shí)時(shí)間與節(jié)點(diǎn)相同，當(dāng)多次未與節(jié)點(diǎn)通信成功，Zigbee通信模塊將一直向節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，直到通信成功為止。

4 防爆措施

礦井中的設(shè)備必須進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，平臺(tái)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照GB3836.4—2010和GB3836.2—2010，電路符合本安要求，外殼也符合隔爆要求。

在電源部分，除了電源芯片外，輸入端還增加了限流電阻和整流二極管，當(dāng)電源芯片出現(xiàn)問題或某個(gè)整流二極管損壞時(shí)，電路仍然可以正常工作，不會(huì)因?yàn)殡妷旱牟徽６鵁龤АＦ脚_(tái)的工作電壓為3.3 V，電路之間的爬電距離、電容電感的選擇都符合本安要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Zigbee的礦用數(shù)據(jù)采集綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了井下數(shù)據(jù)的多點(diǎn)采集與無(wú)線傳輸。靈活簡(jiǎn)單穩(wěn)定的通信協(xié)議，可以形成通用開放的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，以便其他基于Zigbee的數(shù)據(jù)通過本網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用。也可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)頂板離層儀、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等煤礦產(chǎn)品。

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