基于ZigBee和STM32的礦用頂板離層監測實驗系統設計

張 磊，程永強

(太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

受“實踐從屬于理論”這種傳統教學模式的影響，致使現在某些高校在人才培養方案上仍不同程度地存在著“理論厚實，實踐薄弱”的現象，這種現象滯后于時代發展和社會需求。在全面提高大學生的實踐能力、創新意識、綜合素質等方面，實踐教學有著極其重要且不可替代的作用[1]。

煤礦生產活動大都是在地下進行，環境惡劣、條件艱苦，在煤礦生產過程中隨時會有漏水、瓦斯爆炸、頂板冒落等災害的發生。鑒于煤礦生產的這些特點，很難在教學中直觀展示其過程。因此，對于煤礦專業教學來說，通過一些礦用設備進行模擬真實教學顯得非常有必要[2]。

依托煤炭企業與高校合作的平臺，本文構建了一種基于ZigBee技術[3]和嵌入式的用于教學實踐的礦用頂板離層監測系統。一方面可以通過實踐提高學生的動手創作能力，另一方面讓煤礦專業學生通過實驗室模擬裝置對煤礦生產有一個直觀、初步的了解。

1 系統概述

本系統主要包括兩個部分：監測節點和監測分站。如圖1所示，監測節點安裝在巷道頂板上，安裝間隔根據實際情況在20～50 m之間，每個監測節點既可以監測本安裝點的離層位移數據，又可以作為“路由”節點傳輸相鄰節點的數據信息。各節點通過接力傳遞的方式把數據上傳至監測分站，分站把所有節點的數據屏幕實時顯示及本地存儲，并能通過以太網上傳給井上PC端，對數據進行進一步處理。分站可以不依賴PC端，單獨作為井下終端對監測節點進行傳輸地址的分配、時鐘同步、數據上傳間隔設置等命令控制，還可以在分站上實現數據的按時間查詢、節點查詢和U盤拷貝。該系統給巷道支護[4-5]監控工作帶來更為便捷的手段和工具。

圖1 系統結構示意圖

1.1 監測節點硬件設計

監測節點的防爆殼體內部結構和外觀如圖2和圖3所示，內部結構主要包括電器倉和機械倉，并通過隔板隔離。電器倉由電池倉、電路板倉和傳感器組成，機械倉由測繩和尼龍棒組成。尼龍棒固定在位移傳感器的轉軸上，位移傳感器主體位于電器倉內，轉軸通過隔板進入機械倉。這種倉體結構的設計把電池和電路板與外界環境進行了保護隔離，使得電路板不受粉塵、水汽等外界的干擾，增加了工作的可靠性和穩定性。殼體部分主要為離層儀提供物理支撐和防爆隔離。

圖2 監測節點防爆殼體內部結構圖

圖3 監測節點防爆殼體外觀圖

電路板主控芯片采用TI的CC2530射頻芯片。天線采用PCB天線的方式，減小了空間。為了保障信號能在井下順利傳輸，CC2530射頻芯片前端增加了功率放大芯片CC2591，可以使最大發射功率增加到20 dBm。而且多種發射功率可調，增加了設計靈活性和系統的穩定性。節點結構框圖如圖4所示。電路板的設計嚴格按照GB3836.4和GB3836.2，電路符合本安要求[6]，外殼也符合隔爆要求[7]。

圖4 節點硬件框圖

電源部分采用3.5 V本安電池供電，與穩壓芯片相連接，從根本上保證了電氣特性的本安。除了電源芯片外，輸入端還增加了限流電阻和整流二極管，當電源芯片出現問題或某個整流二極管損壞時，電路仍然可以正常工作，不會因為電壓的不正常而燒毀。電路之間的爬電距離、電容電感的選擇都符合本安要求[6]。

1.2 監測分站硬件設計

監測分站由無線接收模塊和數據處理模塊組成。分站電池采用3.2 V、5 Ah磷酸鐵鋰電池，電源芯片采用tps63001,它具有1.8～5.5 V的寬電壓范圍，轉化率高達96%，輸出電流1.2 A,符合分站的供電要求。無線接收模塊采用CC2530射頻芯片[8]和CC2591功放芯片[9]；數據處理模塊主控芯片采用STM32F103[10]，該芯片廣泛應用于工業控制和智能家居等嵌入式控制終端，采用ARM CortexM3內核、數據總線寬度為32位，最大時鐘頻率為72 MHz，具有512 KB字節的ROM和64 KB的SRAM，工作電壓2～3.6 V，具有很高的性價比。STM32F103集成了硬件SPI,觸摸芯片、外部Flash、USB和以太網等功能芯片都可以通過SPI的方式進行控制，具有操作簡單、軟件開發難度低等優點。分站支持127 mm(5英寸)、分辨率為800像素×480像素的TFT液晶顯示屏，具有友好的人機交互界面。分站硬件框圖如圖5所示，USB模塊芯片與MCU之間的SPI電路連接如圖6所示，其他功能模塊芯片與MCU的電路連接與之相似，不再單獨列出。

圖5 分站平臺硬件框圖

圖6 CH376S與MCU的SPI連接

2 軟件實現

2.1 分站軟件初始化

STM32芯片采用Keil4開發環境，使用ST官方提供的固件函數庫，移植了UCOS[11]系統和UCGUI[12]，添加相應的模塊庫文件，完成建立相應的工程后，進行單片機的初始化配置。首先調用CPU_IntDis()函數關中斷，確保系統初始化不被外界中斷干擾；然后調用OSInit()函數，建立空閑任務及統計任務，初始化μC/OS II變量及數據結構。其中包括信號量、郵箱、消息隊列等的初始化。調用BSP_Init()初始化系統時鐘、NVIC中斷、SPI、FSMC_LCD、GPIO等，建立任務，OSStart()啟動內核。

2.2 任務的建立

分站上一共建立了4個任務，根據每個任務的特性分配了不同的優先級。屏幕刷新任務屬于值守型任務，需要周期性地獲取外部信息，刷新屏幕顯示，被操作系統重復調用，有一定的實時性，可以設置較低的優先級。以太網任務、時間更新任務屬于觸發型任務，對實時性要求較高，應設置較高的任務優先級，用戶界面任務優先級則最低。在啟動μC/OS內核之前，建立主任務，使用OSTaskCreate函數。在主任務中建立用戶任務。每一個任務都是一個 循環結構。示例代碼如下：

void Task (void *Id)

{

//定義要用到的參數 及相關硬件的初始化

while (1)

{ //處理任務的具體執行語句

OSTimeDly () ;//掛起自身的函數

}

}

界面任務和觸摸任務實現了人機交互的功能，點擊相關的按鈕可以實現對節點的功能控制。

2.3 SPI通信

CC2530、觸摸芯片XPT2046、外部Flash芯片M25P64、以太網芯片ENC28J60與STM32的通信都是通過硬件SPI的方式，STM32作為主設備。STM32的SPI1屬于高速設備，隸屬于APB2總線，最大時鐘頻率為72 MHz；而SPI2屬于低速設備，隸屬于APB1總線，最高時鐘頻率為36 MHz。使用時要根據從設備的時鐘頻率選擇合適的SPI分頻系數。

2.4 系統通信協議描述

所有離層儀節點的初始地址都是0，在使用之前要給離層儀分配地址。假設系統中有64個離層儀節點，通過點選按鈕找到地址設定按鈕，輸入64，點擊確定，分站上接收模塊地址被設定為65，給其中一個離層儀節點A上電，A節點地址被設定為64，同時該地址被保存到Flash中，A節點進入地址分配狀態，等待下一個節點B上電；當B節點上電后，A節點把本機地址減一發送給B，B接收到地址后給A反饋應答信號，完成一次節點與節點之間地址的自動分配。為了減少功耗，可暫時給A節點斷電。依次給離層儀上電，直至最后一個節點地址被賦值為1，再次上電，離層儀節點從內部Flash讀取地址。由于節點對地址要求比較嚴格，同一時刻必須保證只有一個還沒有被設定地址的離層儀節點處于上電狀態。其他命令的使用與地址設定命令相似，不再贅述。

節點每隔半小時由自身定時器喚醒一次，節點處于睡眠狀態時，無線發送接收不能工作，只能通過定時器喚醒。為了消除各個節點時間誤差的累計，每次在分站接收到所有節點數據后，分站會給節點發送時鐘同步信號，接收到時鐘同步信號以后，每個節點進入睡眠狀態。每個節點的喚醒等待時間為2 min，實驗證明在系統節點為100時，首節點和末尾節點收到命令的時間差不會對節點間的通信造成影響。為了降低功耗，可以根據節點數量合理設置喚醒c的時間。節點軟件流程圖如圖7所示。

圖7 節點軟件流程圖

分站無線模塊在接收到數據以后，向STM32申請數據接收中斷，然后在STM32的時鐘控制下與ZigBee進行SPI通信。對數據進行屏幕顯示、存儲、上傳等處理，完成一次數據的采集。該系統的創新之處在于：分站可以通過以太網與井上PC機通信，也可以作為一個脫離PC的嵌入式終端實現井上和井下的雙重監測管理。分站軟件流程圖如圖8所示。

3 傳感器精度分析

傳感器采用Mexico BOURNS3590s-2-103L 多圈(10圈)電位器，最大標定阻值為10 Ω±5%，阻值調節方式為旋轉式，阻值變化方式為直線式。轉軸直徑為6.35 mm,直線量程為200 mm。數據采集電路采用CC2530內部12位AD，參考電壓為3 V，通過REF3030穩壓芯片與AD相連。表1 為傳感器精度實驗測量數據。由表1可得出結論：最大線性誤差為-0.44%。電壓-位移函數為s=(u-b)/k，其中，s表示位移，u表示電壓；最壞情況下，b=0,k=1。由表1數據可得：當實際位移120 mm時，節點顯示位移為119.1 mm。誤差在1 mm以內，可以通過Matla程序擬合得b=-10，k=15，進一步提高了精度，更好地滿足了設計要求。

表1 傳感器線性精度測量數據

圖8 監測分站軟件流程圖

4 結束語

實驗系統從煤礦生產實際出發，結合了煤礦專業的實踐教學特點，應用于實踐教學，能夠很好地激發學生對于本專業知識的學習興趣。實驗系統融匯了電子、機械等交叉學科知識，可以提高學生的編程能力、培養學生分析問題、解決問題的能力，使學生理論知識水平與操作實踐技能得到同步提高；另一方面，可以在此系統基礎上開發其他礦用教學實驗系統。

[1] 姜貴平，時鑫.提升高校實踐教學注重大學生實踐能力的培養[J].實驗室科學，2013，16(5)：1-4.

[2] 宋永斌，沈宏毅.強化煤礦專業學生職業素質培養的對策[J].淮南職業技術學院學報,2010,10(35):103-104.

[3] 張雅君,李明學.基于Zigbee技術的煤礦井下設備監測系統的研究[J].煤礦機械，2013,34(5)：271-272.

[4] 王吉勝，劉春耀.松軟煤巷支護技術[J].煤炭技術，2009,28(5):61-63.

[5] 夏紅滿，劉國磊.鋼管混凝土支架性能試驗及其在動壓巷道支護中的應用[J].煤礦安全，2013，44(9)：146-149.

[6] 中國國家標準化管理委員會.GB3836.4—2010 爆炸性環境第4部分:由本質安全性保護的設備[S].北京：中國標準出版社，2010:44-81.

[7] 中國國家標準化管理委員會.GB3836.1—2010 爆炸性環境第1部分:設備通用要求[S].北京：中國標準出版社，2010:20-23.

[8] Texas Instruments.CC2530 datasheet[EB/OL].[2013-01-05].http://www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.

[9] Texas Instruments.CC2591 2.4GHz RF Front End[EB/OL].[2013-01-05].http://www.ti.com.cn/product/cn/cc2591.

[10] 張舞杰，南亦民.基于STM32F103VB的應用編程技術的實現[J].計算機應用，2009，29(10)：2820-2822.

[11] 任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009:185-225.

[12] Spring.ucgui在stm32上的移植[EB/OL].(2011-05-03)[2013-11-20].http://www.elecfans.com/emb/xitong/20110503197045.html.