礦山物聯網設備感知與控制系統

2016-04-09 02:03:16安徽理工大學計算機科學與工程學院劉奧川

電子世界 2016年5期

安徽理工大學計算機科學與工程學院劉奧川詹琳

礦山物聯網設備感知與控制系統

安徽理工大學計算機科學與工程學院劉奧川詹琳

【摘要】本文完成了壓風機感知與控制系統的方案設計、硬件與軟件設計實現。采用ZigBee無線網絡實時感知壓風機的溫度，壓力，并控制壓風機的運轉。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域。

【關鍵詞】壓風機；無線傳感器；ZigBee

0　引言

在工業生產過程中，由于環境和人力的限制，企業也逐漸借助于網絡來采集重要信息和控制機器運轉。傳統的設備感知系統大多數采用預先布線，通過有線的方式進行現場采集數據的工作。傳統的設備感知與控制系統主要存在不足是很依賴人。需要人工現場監測與控制，一方面導致人力的的浪費且工作效率低，一般設備工作的地方環境都很惡劣，由噪聲污染、空氣污染等對人體傷害很大，工作人員可能由于疏忽等問題而不能及時發現問題并及時處理。

壓風機是煤礦重要設備之一，主要輸送壓縮空氣到井下，為風鉆、噴漿機等風動設備提供動力。因此壓風機對于整個煤礦的運轉起著重要作用。在過去壓風機機房通常是人工巡查，很難及時發現問題，另一方面壓風機運轉產熱很大、噪聲也很大，人員不能長時間待在里面。所以通過無線網絡感知壓風機設備的溫度、壓力等參數，及時控制壓風機運轉是最佳選擇。

1　ZigBee協議

1.1ZigBee協議特點

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域。

1.2ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee網絡主要有網絡協調器、路由器和網絡傳感器三種節點組成。每一個ZigBee網絡都至少需要一個網絡協調器節點，這類節點需要較多的存儲能力和計算能力，負責分配地址、組建網絡、維護和管理網絡等。路由功能的節點，小范圍組網，擴展了網絡覆蓋的范圍。終端節點只具備感知和傳輸信息到上層節點的功能。

ZigBee協議可以自組織互聯，支持星形、簇狀和網狀三種網絡結構。

星形網絡是最簡單的網絡結構只有終端節點和協調器構成，所有的終端節點都與唯一一個協調器節點通信呈現輻射狀。簇型網絡是有多個星形網絡構建，網絡結構較復雜，可以實現“多跳”信息傳輸，但由于傳輸路徑局限性也不是很好的適應環境變化。在網絡型網絡中，每個節點都具有路由功能，可以實時選擇合適的通信路線，使整個網絡具有較高的可靠性。

2　無線節點的設計

CC2530是用于ZigBee應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。它擁有業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM和其他強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，模式轉換時間短，使得它尤其適應環境惡劣、超低功率要求的煤礦遠程感知與控制系統。

由于網絡協調器一般使用持續電力系統供電，路由器處理數據工作量也比較大應采用固定電源供電，其他感知設備只采用電池供電就可以。網絡協調器需要使用電平轉換芯片MAX232芯片與pc數據通信，增加按鍵模塊以方便發送控制命令。網絡協調器的顯示模塊不僅可以用來顯示節點加入和退出網絡的信息，還提供了用戶和傳感器網絡的交互頁面。

3　系統設計

3.1壓風機檢測

壓風機的種類很多，本系統采用的壓風機的結構圖如圖1所示。

圖1

該壓風機需要檢測的參數有：電機電壓、電流，一級排氣壓力、溫度，二級排氣壓力、溫度，風包壓力、溫度，水溫、水壓，油溫、油壓，總排氣量等。

主要監測參數范圍如下：

1、2級排氣溫度0～200℃, 報警；冷卻水溫度0～200℃；電機溫度0～200℃；風包溫度0～110℃；油溫0～70℃；1級排氣壓力0～0.60MPa；2級排氣壓力0～1.0MPa冷卻水壓力0～2.50MPa；潤滑油壓力0～0.60MPa；

當終端節點檢測到的信息超過這個范圍則報警。

本系統可是實現壓風機及相關冷卻系統和氣路系統門閥的自動聯動控制，按程序執行啟動/停止命令，提高操作系統的準確性和安全性。

3.2數據處理

壓風機是煤礦井下的動力源，運行情況非常影響井下的正常運轉和安全性，所以為了提高檢測的可靠性，本系統采用網型網絡來采集壓風機的運行參數。

感知節點是定時采集數據，在時間間隔內進入休眠省電模式，定時器中斷發生后將采集數據并發送給父節點。最后所有節點采集到的數據都會匯集到協調器，協調器將搜集到的數據通過串口傳輸到PC機，PC機將數據存儲到數據庫進行保存和備份。上位機采用windows操作系統，軟件采用C#來實現，使用Access2003數據庫來管理數據。