基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐明珠，　衷衛(wèi)聲

(1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江西 南昌　330031; 2.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌　330031)

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基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐明珠1，衷衛(wèi)聲2

(1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江西 南昌330031; 2.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌330031)

摘要：針對現(xiàn)有礦井液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、維護(hù)困難等問題，設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過藍(lán)牙技術(shù)組建的無線自組網(wǎng)解決了繁雜的布線問題，使用藍(lán)牙無線通信和以太網(wǎng)傳輸液壓支架壓力數(shù)據(jù)，傳輸速率快，性能穩(wěn)定，工作人員利用上位機(jī)軟件，即可實(shí)時對液壓支架壓力值進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：液壓支架； 壓力監(jiān)測； 藍(lán)牙； 無線自組網(wǎng)； 數(shù)據(jù)傳輸

網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，且數(shù)量眾多，若液壓支架出現(xiàn)死架、倒架等故障而又不能及時發(fā)現(xiàn)，將給綜采工作面的正常工作帶來極大隱患[1]，因此，必須實(shí)時監(jiān)控液壓支架工作狀態(tài)。目前，井下液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時采集的液壓支架壓力數(shù)據(jù)都是以有線傳輸方式傳送到地面監(jiān)測站[2]，存在布線復(fù)雜、成本高、難以維護(hù)等缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸和施工的安全性也受到影響[3]。藍(lán)牙自組網(wǎng)是使用藍(lán)牙無線通信規(guī)范構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌恍枰荆上嗷ミM(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為此，筆者設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，使用無線通信傳輸液壓支架的壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)為2層通信結(jié)構(gòu)，底層通信是藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)到嵌入式網(wǎng)關(guān)的通信；上層通信是嵌入式網(wǎng)關(guān)到上位機(jī)管理軟件的通信。本設(shè)計(jì)中底層通信使用藍(lán)牙通信技術(shù)，上層通信使用工業(yè)以太網(wǎng)通信。壓力采集表采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線通信方式傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關(guān)。嵌入式網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)打包，傳送到上位機(jī)管理軟件。工作人員通過上位機(jī)管理軟件，即可實(shí)時查看液壓支架的壓力數(shù)據(jù)，并且根據(jù)需要繪制液壓支架壓力折線圖，對壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；預(yù)設(shè)壓力報(bào)警值，當(dāng)實(shí)際壓力值超出報(bào)警值或者節(jié)點(diǎn)掉線時，推送報(bào)警信息。

圖1　基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙設(shè)備由核心芯片和藍(lán)牙芯片組成，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)、藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)都屬于藍(lán)牙設(shè)備。藍(lán)牙設(shè)備的藍(lán)牙芯片均選用BlueCore CSR8645A03，該芯片完全遵循V4.0藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范，采用IEEE802.15.1通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在不增加外圍器件的情況下，傳輸距離超過100 m，內(nèi)部功率放大器的最大輸出功率達(dá)10 dB·m，接收器的接收靈敏度達(dá)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(diǎn)。藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)的核心芯片選用STC15L2K08S2，該芯片不需要外部晶振和外部復(fù)位，還可以對外輸出時鐘和低電平復(fù)位信號。嵌入式網(wǎng)關(guān)要求能夠快速處理數(shù)據(jù)，拓展外部存儲器，使用USB接口復(fù)制數(shù)據(jù)。STM32系列的STM32F103RCT6芯片的內(nèi)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(shè)消耗功率小，處理速率高，拓展性好，完全滿足嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)的各種需求。所以，利用STM32F103RCT6開發(fā)嵌入式網(wǎng)關(guān)。

1.2系統(tǒng)工作原理

當(dāng)液壓支架開始工作時，壓力采集表采集壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)，從休眠狀態(tài)中進(jìn)入工作模式，進(jìn)入工作模式的藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)開始尋呼附近的休眠藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)、藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)，附近休眠的藍(lán)牙設(shè)備接收尋呼，建立鏈接，尋呼的藍(lán)牙設(shè)備為主設(shè)備，接收藍(lán)牙尋呼的藍(lán)牙設(shè)備為從設(shè)備，一個從設(shè)備和一個主設(shè)備就組成了一個最簡單的微微網(wǎng)，一個主設(shè)備最多可以連接7個活動的從設(shè)備，一個微微網(wǎng)的主設(shè)備也可以是另一個微微網(wǎng)的從設(shè)備，一個微微網(wǎng)的從設(shè)備可以是另一個微微網(wǎng)的主/從設(shè)備，同時處于2個或多個微微網(wǎng)的藍(lán)牙設(shè)備稱為橋節(jié)點(diǎn)。多個微微網(wǎng)互連組成藍(lán)牙拓?fù)渚W(wǎng)，也稱為藍(lán)牙自組網(wǎng)，處于藍(lán)牙自組網(wǎng)的藍(lán)牙設(shè)備可相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)嵌入式網(wǎng)關(guān)被喚醒后，開始建立藍(lán)牙拓?fù)渚W(wǎng)，接收藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)傳送的壓力數(shù)據(jù)。為了傳輸數(shù)據(jù)，藍(lán)牙設(shè)備間建立ACL(Asynchronous Connection Less)鏈路鏈接，壓力采集表采集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送到藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關(guān)。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，工作人員通過上位機(jī)軟件，即可查看各個液壓支架的壓力值。嵌入式網(wǎng)關(guān)將實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)存入存儲器，當(dāng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，工作人員可通過SD接口或USB接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，不影響工作人員對支架壓力的分析。

2藍(lán)牙自組網(wǎng)形成過程

為了更有效地提高藍(lán)牙自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，藍(lán)牙自組網(wǎng)的建立應(yīng)符合以下規(guī)則：① 在散射網(wǎng)中控制微微網(wǎng)的數(shù)量，以減少微微網(wǎng)的同頻概率。② 減少橋節(jié)點(diǎn)負(fù)載，防止其成為通信網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。③ 避免出現(xiàn)休眠從設(shè)備，控制從設(shè)備的數(shù)量[4]。

所有的藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，嵌入式網(wǎng)關(guān)為唯一的目的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)綜采工作面進(jìn)行工作時，藍(lán)牙設(shè)備連續(xù)檢測液壓支架壓力；當(dāng)綜采工作面停止工作時，所有藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)及藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)都處于休眠狀態(tài)。藍(lán)牙自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)以上要求，自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般呈簇狀，路由節(jié)點(diǎn)作為橋節(jié)點(diǎn)，橋節(jié)點(diǎn)形成的微微網(wǎng)應(yīng)具有合適數(shù)量的從節(jié)點(diǎn)，以避免源節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量。藍(lán)牙自組網(wǎng)形成過程：

第1階段：路由發(fā)現(xiàn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)被喚醒，就將一個路由發(fā)現(xiàn)封包(Route Discovery Packet，RDP)泛洪到整個網(wǎng)絡(luò)，尋找目的節(jié)點(diǎn)。

第2階段：構(gòu)建散射網(wǎng)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到第1個RDP時，開始構(gòu)建散射網(wǎng)，目的節(jié)點(diǎn)尋呼附近的藍(lán)牙設(shè)備，尋找路由節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成微微網(wǎng)，當(dāng)從設(shè)備達(dá)到7個時，停止尋呼新的設(shè)備。已加入微微網(wǎng)的路由節(jié)點(diǎn)尋呼自由路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建微微網(wǎng)，當(dāng)所有路由節(jié)點(diǎn)都成功加入微微網(wǎng)后，路由節(jié)點(diǎn)尋呼源節(jié)點(diǎn)組建微微網(wǎng)，這樣就形成了以路由節(jié)點(diǎn)為橋節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)。

圖2　藍(lán)牙自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)在監(jiān)測系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它既能夠收集液壓支架的壓力數(shù)據(jù)并備份，又能接收上位機(jī)的指令，發(fā)送壓力數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)具有外部USB接口和SD卡接口，在上位機(jī)與嵌入式網(wǎng)關(guān)不能進(jìn)行通信時，直接通過外部接口復(fù)制數(shù)據(jù)；嵌入式網(wǎng)關(guān)具有人機(jī)交互功能，只要安裝界面顯示模塊，就能直接顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，并且發(fā)送監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)指令或?qū)С鰯?shù)據(jù)指令。嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊如圖3所示。

圖3　嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件功能模塊

當(dāng)綜采工作面不工作時，嵌入式網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)都處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到指令時，嵌入式網(wǎng)關(guān)根據(jù)指令開始運(yùn)行。綜采工作面開始工作時，壓力采集表采集壓力數(shù)據(jù)，會喚醒藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，發(fā)送RDP，嵌入式網(wǎng)關(guān)接收到第1個RDP后，開始構(gòu)建散射網(wǎng)，接收藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)傳送的壓力數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行打包備份后，發(fā)送到上位機(jī)服務(wù)器，此時在上位機(jī)顯示界面顯示實(shí)時壓力值。嵌入式網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，確認(rèn)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(jī)發(fā)送報(bào)警信息，上位機(jī)顯示接收不到壓力值的液壓支架的詳細(xì)信息，工作人員現(xiàn)場排查，直至所有壓力值接收正常。嵌入式網(wǎng)關(guān)收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4　嵌入式網(wǎng)關(guān)收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流程

3.2藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際環(huán)境下，只有升降液壓支架時，測試支架的壓力才有意義。系統(tǒng)采用蓄電池供電，為了降低功耗，液壓支架不工作時，藍(lán)牙設(shè)備都設(shè)置為休眠狀態(tài)，當(dāng)液壓支架壓力驟變時，壓力采集表采集數(shù)據(jù)，喚醒藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)。藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)被喚醒后，開始組建以嵌入式網(wǎng)關(guān)為目的節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)，自組網(wǎng)形成之后，藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)開始傳送數(shù)據(jù)。藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)首先等待藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)尋呼，之后接收藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)的尋呼，建立ACL鏈接，鏈接成功后，就可以將數(shù)據(jù)傳送到藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)，由藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入網(wǎng)關(guān)，這樣，這個藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)就傳輸成功了。若是被其他藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)搶先建立鏈接成功，就只有等待下一次的藍(lán)牙路由節(jié)點(diǎn)發(fā)起鏈接。藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)時監(jiān)測液壓支架壓力的變化，對液壓支架的壓力進(jìn)行分析管理。上位機(jī)軟件功能模塊主要包括檔案管理、系統(tǒng)管理、實(shí)時顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示及導(dǎo)出等模塊。在礦井增添或修改壓力采集表后，上位機(jī)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(jī)軟件才會顯示壓力采集表的狀態(tài)，這個功能由檔案管理模塊完成。系統(tǒng)管理模塊主要用于添加修改或刪除用戶的信息。實(shí)時顯示模塊能夠?qū)崟r顯示支架壓力數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)顯示及導(dǎo)出模塊主要用于以日報(bào)表形式對信息進(jìn)行處理顯示，用戶選擇需要導(dǎo)出的日期，即可導(dǎo)出當(dāng)天的日報(bào)表。

圖5　藍(lán)牙源節(jié)點(diǎn)軟件流程

4結(jié)語

液壓支架是礦井綜采工作面的重要工作設(shè)備，實(shí)時監(jiān)控液壓支架壓力是很有必要的。基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)通過藍(lán)牙技術(shù)組建無線自組網(wǎng)，解決了繁雜的布線問題，性能穩(wěn)定，能夠?qū)崟r顯示和監(jiān)測液壓支架壓力值，數(shù)據(jù)傳輸速率快。

參考文獻(xiàn)：

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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(zé)任編輯：張強(qiáng)。

基金項(xiàng)目：江西省科技廳科技成果重點(diǎn)推廣指導(dǎo)項(xiàng)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?yàn)闇y試計(jì)量理論及應(yīng)用，E-mail:qqliangshi222@163.com。 通信作者：衷衛(wèi)聲(1967-)，男，江西南昌人，教授，主要研究方向?yàn)闇y試計(jì)量理論及應(yīng)用，E-mail:ws0791jx@163.com。

中圖分類號：TD355

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-07-05 15:05

唐明珠，衷衛(wèi)聲.基于藍(lán)牙自組網(wǎng)的液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2016,42(7)：76-79.