基于ZigBee的采煤機監測系統的設計

崔 妮 ，關詠梅 ，郭 濤 ，張亮紅

（1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；3.北京宇航系統工程研究所，北京100076）

我國煤礦生產中采煤設備的機械化程度較高（達75%），但受強振動、高沖擊等惡劣工作環境影響，設備的機械旋轉部件極易出現軸向對位不準、構件斷裂等故障，導致事故的發生（千萬噸礦井停產一天經濟損失約1500萬），故及時準確地檢測對安全高效生產意義重大[1]。但重型采煤機是旋轉機械，空間受限無法引線。因此本文采用無線傳感網絡方式來解決旋轉類機械的智能監測問題。

無線傳感器網絡能夠實時監測和采集網絡區域內各種監控對象的信息，并將這些采集信息傳送到網關節點，從而實現規定區域內目標監測、跟蹤和遠程控制。ZigBee是實現無線傳感器網絡應用的一種重要技術，具有高可靠性、低成本、低功耗、低數據速率等[2]特點，已經引起人們的廣泛關注。

1 系統結構與基本原理

本文設計了一個可在地下礦井對重型采煤機的工作狀態進行數據采集、傳輸和監測的無線傳感器網絡系統，對采煤機旋轉部件的主要故障“溫度和振動異常”作為檢測對象，系統整體結構如圖1所示。包括協調器、路由器及終端節點。終端節點由傳感器模塊及其信息采集器組成，信息采集器又包括傳感器信號采集、信號調理模塊、ZigBee無線傳輸模塊、電源管理模塊等。終端設備可實現溫度和振動信號的采集，并通過ZigBee無線方式發送數據。服務器是監測及故障警報中心，實現對所采集數據的接收、顯示、存儲、歷史查詢、故障警報等功能。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

2 硬件設計與實現

2.1 振動采集模塊

振動傳感器選用Colibrys公司生產的VS9000.D系列加速度計VS9050。VS9050是一個電容式MEMS加速度計，該產品是一個低功耗、校準的、耐用的和性能穩定的產品。這種可變電容傳感器可專門用來提供大的帶寬0～250 Hz，它的工作電壓為DC 5 V，靈敏度為 1000 mV/g，非線性度<0.8%，分辨率<0.1 mg，完全滿足本系統設計要求。

2.1.1 濾波電路設計

傳感器輸出信號在采集和傳輸中必然會受到各種噪聲干擾，使其質量下降，因此首先對信號進行低通濾波。巴特沃思濾波器在通帶內的頻率響應曲線最大限度平坦、沒有起伏[3]，因此選用八階巴特沃思濾波器芯片MAX291對輸出信號濾波，它是低通開關電容濾波器。濾波電路原理如圖2所示。

圖2 濾波電路Fig.2 Filter circuit

采煤機振動信號頻率為0～2 kHz，截止頻率取決于時鐘的頻率，本系列電路只需外接一個電容器，內部時鐘振蕩電路就能開始工作，而無需再從外部引入時鐘信號。Cosc用來調整截止頻率，計算公式為

其中：fclock為時鐘頻率；fc為濾波器截止頻率。對于 MAX291，K=100。經過計算與實際電路調試，確定Cosc的容值為150 pF。

2.1.2 信號調理電路

由于CC2530F256內部A/D采集的量程范圍為0～+1.25 V。而振動傳感器輸出為-2 V～+2 V，因此，傳感器輸出信號需通過零位提升、分壓等調理電路來處理。

傳感器的輸出范圍是-2 V～2 V，首先利用同相輸入加法運算給運放的正輸入端提供一個2 V的基準電壓REC，這樣輸出電壓就被調到0～4 V，再用一個簡單的分壓電路，得到輸出電壓0～1 V。

2.2 溫度采集模塊

溫度信號采集選用Pt100型鉑熱電阻（RTD）。金屬鉑Pt的阻值隨溫度而變化，并具有很好的重現性和穩定性。采用RTD檢測溫度時必須考慮2個問題：線路電阻對測量精度的影響和RTD電阻的非線性。采用美國BB公司生產的XTR105芯片組成的溫度-電流變送器可提升系統的精度和線性度。因此在本設計中沒有選擇傳統的溫度-電壓信號測量系統，而是選用了溫度-電流檢測系統。

信號調理原理為在溫度傳感器RTD輸出端接一個溫度-電流變送器XTR105，把RTD阻值隨溫度的變化量轉換成電流信號，通過電纜傳送至儀器中的取樣電路。輸出電流IO經取樣電阻RL變為電壓信號供采樣使用[4]。信號采集原理如圖3所示。

圖3 溫度信號采集電路Fig.3 Temperature signal acquisition circuit

XTR105為模擬電流型輸出，輸出4～20mA，在其輸出端接一個‰精度的取樣電阻RL，將輸出電流轉換為電壓信號供采樣使用。實際調試時RL取150Ω，此時輸出電壓為+0.6 V～+3 V。因為CC2530F256內部A/D采集的量程范圍為0～+1.25 V。在信號調理電路中運放芯片選用儀表運放AD623，在差分運放AD623的負向輸入端輸入+0.6 V的直流電壓，這樣就可降低電壓，使得電壓范圍變成0～+2.4 V。為了得到0～+1.25 V，再利用一個簡單的分壓電路就可使輸出電壓為0～+1.2 V。溫度信號調理電路如圖4所示。D8為限幅二極管，可將AD623的輸出電壓限制在5.6 V以下，防止輸出電壓過大損壞后續元件。

2.3 ZigBee無線傳輸模塊接口設計

整個系統的核心是無線數據收發模塊，它主要由CC2530及少量外圍電路組成。其中CC2530結合RF收發器、8051微處理器、8 KB的 RAM，32/64/128/256 KB內存，其內部已繼承了實 時 時 鐘 、ADC、USART等電路，因此只需增加少量的外圍電路就可滿足系統的無線通信需求。CC2530核心板采用TI公司的CC2530F256芯片，集成了CC2530芯片正常工作時所有的外部電路，包括SMA接口用以連接2.4 G天線。引腳22和引腳23接32 MHz晶振，引腳32和引腳33接32.768 kHz時鐘晶振。CC2530模塊電路圖如圖5所示。

圖4 溫度信號調理電路Fig.4 Temperature signal conditioning circuit

圖5 CC2530模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of CC2530 module

2.4 電源管理模塊

電源模塊用于給各個節點供電，由于數據采集模塊為無線傳輸，傳感器節點所安置的地點一般不宜經常更換電池，因此要盡可能采用低功耗設計方案，延長電池的使用時間，從而延長整個無線網絡的生命周期。該系統的CC2530F256芯片可采用3.3 V供電，振動傳感器和一些電路調理芯片MAX293、AD623等都需5 V供電，而溫度傳感器的工作電壓為12 V，因此外接12 V防爆電池，采用HT7550芯片將12 V轉換為5 V，再通過HT7533電壓調節芯片將5 V轉為3.3 V。硬件電路還包括一些按鍵、LED、復位、電源指示燈及JTAG接口等電路設計。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要是ZigBee片上系統CC2530F256的程序設計和上位機的軟件設計。

3.1 ZigBee模塊軟件設計

CC2530F256的軟件設計使用的開發環境為IAR-EW8051，采用了官方的ZigBee協議棧ZStack2.3.1，主要實現了系統初始化、ZigBee網絡搜索機網絡加入、數據的無線收發等功能。一個Zig-Bee網絡中通常包含了一個協調器和若干個路由器和終端節點。

3.1.1 協調器軟件設計

協調器節點在網絡中有著非常重要的作用，它往往是整個網絡中的首臺設備，其主要功能是選擇信道并啟動建立網絡、確定網絡中唯一的PAN地址并廣播建立網絡的信號以及與上位機實現通信。協調器節點組網流程如圖6所示。

圖6 協調器節點組網流程圖Fig.6 Flow chart of coordinate node

3.1.2 終端節點軟件設計

終端設備即傳感器節點的功能就是將傳感器采集來的數據發送到協調器，并接收協調器的命令數據。基于ZigBee無線傳感器網絡的傳感器軟件，主要包括主程序模塊、按鍵輸入模塊、振動測量模塊、溫度測量模塊和ZigBee無線通信模塊等。傳感器節點的流程如圖7所示。

圖7 傳感器主程序流程圖Fig.7 Flow chart of main program for sensor

3.2 上位機軟件設計

在Microsoft Visual C++6.0環境下，利用微軟基礎類庫MFC完成上位機監測系統的軟件設計，實現了對采煤機監測系統的控制和數據的采集、顯示、存儲以及曲線的繪制等功能。狀態檢測主界面如圖8所示，主要包括電流監測和振動監測，可用曲線的方式實時顯示數據的變化情況。參數設定控制按鈕是串口設置包括波特率等參數的設置。

圖8 采煤機監測系統上位機軟件Fig.8 Software of coal shearer monitoring system

根據采煤機的實際需要設定報警溫度和振動頻率，當溫度和振動頻率超過設定的閾值時，報警按鈕燈就會變紅，同時報警系統發出警報聲。

4 結語

通過軟硬結合的方式設計了一種煤礦井下無線傳感器網絡安全監測系統。該系統可對井下采煤機振動信號及環境溫度進行采集、存儲和傳輸。基于CC2530的ZigBee網絡接口滿足礦井物聯網的發展要求，實現了數據的無線傳輸及組網功能，已成功應用于某礦井安全生產。另外此系統對網絡在其他方面的應用及研究也有很好的借鑒作用[5]。

[1]馬銳，陳光建，賈金玲，等.基于ZigBee和GPRS的多參數水質監測系統設計[J].自動化與儀表，2014，29（10）：33-36.

[2]劉任慶，劉莉娜.基于Zigbee技術的工業無線溫度變送器的設計和實現[J].科學技術與工程，2009，42（6）：188-190.

[3]朱琎，楊占勇.基于CC2530的無線振動監測傳感器節點設計[J].儀表技術與傳感器，2012（8）：56-58.

[4]卜樂平，夏立.XTR105變送器在溫度檢測系統中的應用[J].國外電子元器件，1999（1）：36-37.

[5]李學哲，張有東，封孝輝，等.基于Zigbee技術的巷道表面位移檢測傳感器設計[J].測控技術與儀器儀表，2013，39（12）：96-98.