基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統設計

唐明珠，　衷衛聲

(1.南昌大學 機電工程學院, 江西 南昌　330031; 2.南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌　330031)

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基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統設計

唐明珠1，衷衛聲2

(1.南昌大學 機電工程學院, 江西 南昌330031; 2.南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌330031)

摘要：針對現有礦井液壓支架監測系統布線復雜、數據傳輸不穩定、維護困難等問題，設計了基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統。該系統通過藍牙技術組建的無線自組網解決了繁雜的布線問題，使用藍牙無線通信和以太網傳輸液壓支架壓力數據，傳輸速率快，性能穩定，工作人員利用上位機軟件，即可實時對液壓支架壓力值進行分析。

關鍵詞：液壓支架； 壓力監測； 藍牙； 無線自組網； 數據傳輸

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1505.019.html

0引言

液壓支架是綜采工作面重要的工作設備，且數量眾多，若液壓支架出現死架、倒架等故障而又不能及時發現，將給綜采工作面的正常工作帶來極大隱患[1]，因此，必須實時監控液壓支架工作狀態。目前，井下液壓支架監測系統實時采集的液壓支架壓力數據都是以有線傳輸方式傳送到地面監測站[2]，存在布線復雜、成本高、難以維護等缺點，數據傳輸和施工的安全性也受到影響[3]。藍牙自組網是使用藍牙無線通信規范構成的網絡拓撲，不需要基站，可相互進行數據傳輸。為此，筆者設計了基于藍牙自組網的液壓支架壓力實時監測系統，使用無線通信傳輸液壓支架的壓力數據，數據傳輸可靠性高。

1系統總體結構設計

1.1系統總體結構

基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統的總體結構如圖1所示。監測系統為2層通信結構，底層通信是藍牙源節點到嵌入式網關的通信；上層通信是嵌入式網關到上位機管理軟件的通信。本設計中底層通信使用藍牙通信技術，上層通信使用工業以太網通信。壓力采集表采集的數據通過藍牙無線通信方式傳輸到嵌入式網關。嵌入式網關將接收到的數據打包，傳送到上位機管理軟件。工作人員通過上位機管理軟件，即可實時查看液壓支架的壓力數據，并且根據需要繪制液壓支架壓力折線圖，對壓力進行實時監測；預設壓力報警值，當實際壓力值超出報警值或者節點掉線時，推送報警信息。

圖1　基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統總體結構

藍牙設備由核心芯片和藍牙芯片組成，藍牙源節點、藍牙路由節點和嵌入式網關都屬于藍牙設備。藍牙設備的藍牙芯片均選用BlueCore CSR8645A03，該芯片完全遵循V4.0藍牙技術規范，采用IEEE802.15.1通信協議標準，在不增加外圍器件的情況下，傳輸距離超過100 m，內部功率放大器的最大輸出功率達10 dB·m，接收器的接收靈敏度達到-93 dB·m，該芯片具有安全性高、傳輸速率快和功耗低等特點。藍牙源節點和藍牙路由節點的核心芯片選用STC15L2K08S2，該芯片不需要外部晶振和外部復位，還可以對外輸出時鐘和低電平復位信號。嵌入式網關要求能夠快速處理數據，拓展外部存儲器，使用USB接口復制數據。STM32系列的STM32F103RCT6芯片的內核是基于ARM 32位Cortex-M3的CPU，外部存儲容量為256 kB，可拓展外部存儲器，外設消耗功率小，處理速率高，拓展性好，完全滿足嵌入式網關開發的各種需求。所以，利用STM32F103RCT6開發嵌入式網關。

1.2系統工作原理

當液壓支架開始工作時，壓力采集表采集壓力數據，并將數據傳送到藍牙源節點，藍牙源節點接收到數據，從休眠狀態中進入工作模式，進入工作模式的藍牙源節點開始尋呼附近的休眠藍牙源節點、藍牙路由節點和嵌入式網關，附近休眠的藍牙設備接收尋呼，建立鏈接，尋呼的藍牙設備為主設備，接收藍牙尋呼的藍牙設備為從設備，一個從設備和一個主設備就組成了一個最簡單的微微網，一個主設備最多可以連接7個活動的從設備，一個微微網的主設備也可以是另一個微微網的從設備，一個微微網的從設備可以是另一個微微網的主/從設備，同時處于2個或多個微微網的藍牙設備稱為橋節點。多個微微網互連組成藍牙拓撲網，也稱為藍牙自組網，處于藍牙自組網的藍牙設備可相互進行數據傳輸。

當嵌入式網關被喚醒后，開始建立藍牙拓撲網，接收藍牙源節點傳送的壓力數據。為了傳輸數據，藍牙設備間建立ACL(Asynchronous Connection Less)鏈路鏈接，壓力采集表采集數據后，將數據傳送到藍牙源節點，藍牙源節點將數據通過藍牙自組網網絡傳輸到嵌入式網關。嵌入式網關通過以太網將數據傳送到上位機，工作人員通過上位機軟件，即可查看各個液壓支架的壓力值。嵌入式網關將實時采集到的數據存入存儲器，當以太網網絡出現故障時，工作人員可通過SD接口或USB接口將數據導出，不影響工作人員對支架壓力的分析。

2藍牙自組網形成過程

為了更有效地提高藍牙自組網的網絡吞吐量，藍牙自組網的建立應符合以下規則：① 在散射網中控制微微網的數量，以減少微微網的同頻概率。② 減少橋節點負載，防止其成為通信網絡的瓶頸。③ 避免出現休眠從設備，控制從設備的數量[4]。

所有的藍牙源節點為源節點，嵌入式網關為唯一的目的節點，當綜采工作面進行工作時，藍牙設備連續檢測液壓支架壓力；當綜采工作面停止工作時，所有藍牙源節點及藍牙路由節點都處于休眠狀態。藍牙自組網網絡結構如圖2所示。

根據以上要求，自組網網絡結構一般呈簇狀，路由節點作為橋節點，橋節點形成的微微網應具有合適數量的從節點，以避免源節點或路由節點進入休眠狀態，影響網絡吞吐量。藍牙自組網形成過程：

第1階段：路由發現。當源節點從休眠狀態被喚醒，就將一個路由發現封包(Route Discovery Packet，RDP)泛洪到整個網絡，尋找目的節點。

第2階段：構建散射網。當目的節點接收到第1個RDP時，開始構建散射網，目的節點尋呼附近的藍牙設備，尋找路由節點，構成微微網，當從設備達到7個時，停止尋呼新的設備。已加入微微網的路由節點尋呼自由路由節點構建微微網，當所有路由節點都成功加入微微網后，路由節點尋呼源節點組建微微網，這樣就形成了以路由節點為橋節點的自組網。

圖2　藍牙自組網網絡結構

3系統軟件設計

3.1嵌入式網關軟件設計

嵌入式網關在監測系統中起到承上啟下的作用，它既能夠收集液壓支架的壓力數據并備份，又能接收上位機的指令，發送壓力數據。嵌入式網關具有外部USB接口和SD卡接口，在上位機與嵌入式網關不能進行通信時，直接通過外部接口復制數據；嵌入式網關具有人機交互功能，只要安裝界面顯示模塊，就能直接顯示當前網絡節點采集到的數據，并且發送監測壓力數據指令或導出數據指令。嵌入式網關軟件功能模塊如圖3所示。

圖3　嵌入式網關軟件功能模塊

當綜采工作面不工作時，嵌入式網關、藍牙路由節點和藍牙源節點都處于待機狀態，當接收到指令時，嵌入式網關根據指令開始運行。綜采工作面開始工作時，壓力采集表采集壓力數據，會喚醒藍牙源節點，發送RDP，嵌入式網關接收到第1個RDP后，開始構建散射網，接收藍牙源節點傳送的壓力數據。嵌入式網關將所有數據進行打包備份后，發送到上位機服務器，此時在上位機顯示界面顯示實時壓力值。嵌入式網關接收到數據后，確認是否接收到每個液壓支架的壓力值，若是接收不到某個液壓支架的壓力值，向上位機發送報警信息，上位機顯示接收不到壓力值的液壓支架的詳細信息，工作人員現場排查，直至所有壓力值接收正常。嵌入式網關收集節點數據流程如圖4所示。

圖4　嵌入式網關收集節點數據流程

3.2藍牙源節點及路由節點軟件設計

在實際環境下，只有升降液壓支架時，測試支架的壓力才有意義。系統采用蓄電池供電，為了降低功耗，液壓支架不工作時，藍牙設備都設置為休眠狀態，當液壓支架壓力驟變時，壓力采集表采集數據，喚醒藍牙源節點，并將數據打包發送到藍牙源節點。藍牙源節點被喚醒后，開始組建以嵌入式網關為目的節點的自組網，自組網形成之后，藍牙源節點開始傳送數據。藍牙源節點首先等待藍牙路由節點尋呼，之后接收藍牙路由節點的尋呼，建立ACL鏈接，鏈接成功后，就可以將數據傳送到藍牙路由節點，由藍牙路由節點將數據發送到嵌入網關，這樣，這個藍牙源節點的數據就傳輸成功了。若是被其他藍牙源節點搶先建立鏈接成功，就只有等待下一次的藍牙路由節點發起鏈接。藍牙源節點軟件流程如圖5所示。

3.3上位機軟件設計

上位機軟件的主要功能是實時監測液壓支架壓力的變化，對液壓支架的壓力進行分析管理。上位機軟件功能模塊主要包括檔案管理、系統管理、實時顯示、歷史數據顯示及導出等模塊。在礦井增添或修改壓力采集表后，上位機軟件中需要先錄入壓力采集表信息，只有錄入壓力采集表的信息后，上位機軟件才會顯示壓力采集表的狀態，這個功能由檔案管理模塊完成。系統管理模塊主要用于添加修改或刪除用戶的信息。實時顯示模塊能夠實時顯示支架壓力數據。歷史數據顯示及導出模塊主要用于以日報表形式對信息進行處理顯示，用戶選擇需要導出的日期，即可導出當天的日報表。

圖5　藍牙源節點軟件流程

4結語

液壓支架是礦井綜采工作面的重要工作設備，實時監控液壓支架壓力是很有必要的。基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統通過藍牙技術組建無線自組網，解決了繁雜的布線問題，性能穩定，能夠實時顯示和監測液壓支架壓力值，數據傳輸速率快。

參考文獻：

[1]趙端,縱鑫.基于ZigBee技術的井下液壓支架壓力監測系統設計[J].工礦自動化，2014,40(1):31-34.

[2]王桃,劉曉文,喬欣，等.基于無線傳感器網絡的液壓支架壓力監測系統設計[J].工礦自動化,2014,40(6):7-10.

[3]宋栢,朱華,薛永剛.藍牙技術在煤礦數據傳輸中的應用[J].工礦自動化,2007,33(3):1-5.

[4]李晶瑩.藍牙AD Hoc網絡拓撲形成算法研究[D].南京：南京理工大學,2009.

[5]劉奕君,卞水榮,藏昊，等.一種鏈式無線路由協議的液壓支架壓力監測系統設計[J].計算機測量與控制，2015,23(10):3441-3443.

Design of pressure monitoring system of hydraulic support based on bluetooth Ad-Hoc networks

TANG Mingzhu1,ZHONG Weisheng2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China;2.School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract:To solve problems of complex wiring, unstable data transmission and difficult maintenance of existing hydraulic support monitoring system in coal mine underground, a pressure monitoring system of hydraulic support based on Ad-Hoc networks was designed. The system can solve complex wiring problem via bluetooth technology to form a wireless Ad-Hoc networks, and adopts bluetooth wireless communication and Ethernet to transmit hydraulic support pressure data with fast transmission rate and stable performance. Staff can real-timely analyze hydraulic support pressure value by use of PC software.

Key words:hydraulic support; pressure monitoring; bluetooth; wireless Ad-Hoc networks; data transmission

文章編號：1671-251X(2016)07-0076-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.019

收稿日期：2016-03-07；修回日期：2016-05-30；責任編輯：張強。

基金項目：江西省科技廳科技成果重點推廣指導項目(2011ZBBI90006)。

作者簡介：唐明珠(1991-)，女，湖北荊州人，碩士研究生，主要研究方向為測試計量理論及應用，E-mail:qqliangshi222@163.com。 通信作者：衷衛聲(1967-)，男，江西南昌人，教授，主要研究方向為測試計量理論及應用，E-mail:ws0791jx@163.com。

中圖分類號：TD355

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 15:05

唐明珠，衷衛聲.基于藍牙自組網的液壓支架壓力監測系統設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：76-79.