基于Zigbee技術(shù)的煤礦井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

宗朝陽+王成

【摘 要】針對目前煤礦井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)布線困難、可移植性差等缺點，筆者基于Zigbee 技術(shù)，設(shè)計了煤礦井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需在井下鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)線路，通過Zigbee 傳輸協(xié)議，在地面上完成對井下帶式傳送機(jī)整個運(yùn)行過程的監(jiān)測顯示、控制、保護(hù)、報警和管理。

【關(guān)鍵詞】Zigbee；CC2530；通風(fēng)機(jī)；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

通風(fēng)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的輔助設(shè)備，在煤炭的生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的作用。由于礦業(yè)生產(chǎn)屬于高危行業(yè)，因此在煤礦的生產(chǎn)過程中，安全是第一位的，煤礦的安全監(jiān)控便是其中重要的一部分。傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜、線路易老化、設(shè)備拆裝繁瑣，不利于監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，加之煤礦生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因此煤礦對監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和可靠性的要求較高。Zigbee技術(shù)[1]作為一種新興的無線通信技術(shù)，其定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線通信協(xié)議，很好的解決了井下繁雜的布線問題，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于Zigbee技術(shù)的煤礦井下帶式傳送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括地面監(jiān)控系統(tǒng)和井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩大部分[2-3]。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要是由監(jiān)控主機(jī)和工業(yè)以太網(wǎng)組成，井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個Zigbee終端節(jié)點組成，Zigbee終端節(jié)點連接有多種傳感器用于對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及傳感器選型

2.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

Zigbee 終端節(jié)點主要由TI公司的CC2530芯片作為內(nèi)核，并配備數(shù)據(jù)采集模塊、高頻天線模塊、電源供電模塊、AD轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、閃存控制器、DMA控制器、4個定時器、AES協(xié)議處理器、無線電控制模塊等外設(shè)。由于CC2530芯片不僅是一款無線發(fā)射芯片，還具有一定的控制功能，可完成本設(shè)計所需全部功能，因此無需外加控制芯片便可實現(xiàn)對帶式傳送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時采集和發(fā)送。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐，既要負(fù)責(zé)向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)的通信，又要對終端節(jié)點發(fā)送過來的信息進(jìn)行匯總過濾，完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建。Zigbee 協(xié)調(diào)器節(jié)點選用TI公司的CC2530芯片作為其內(nèi)核，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，它由LCD顯示模塊、按鍵模塊、報警模塊、電源供電模塊、串口模塊、高頻天線模塊及 JTAG 測試接口模塊等7 部分組成。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若需要對預(yù)先的一些設(shè)置進(jìn)行改變，可通過按鍵模塊實現(xiàn)。報警模塊可實現(xiàn)對故障信息的報警功能，以提醒監(jiān)控人員。

2.3 傳感器選型

參數(shù)采集模塊根據(jù)實際測量參數(shù)選擇傳感器或相應(yīng)測量裝置，采集信息包括通風(fēng)機(jī)風(fēng)量、負(fù)壓、風(fēng)速、軸承溫度、軸承振動，電動機(jī)電流、電壓、繞組溫度等參數(shù)。其中，通風(fēng)機(jī)軸承振動的采集選用 CZ891一體化振動變送器，將振動傳感器和信號調(diào)節(jié)電路集成為一體，能將現(xiàn)場采集的振動信號直接變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號輸出。

通風(fēng)機(jī)風(fēng)量和通風(fēng)機(jī)負(fù)壓的測量均采用 PTG501 負(fù)壓傳感器，通過擠壓壓敏原件，改變壓力采集電路中的電阻值，將被測量對象的壓力轉(zhuǎn)換為 4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)電信號并傳送給終端節(jié)點。

通風(fēng)機(jī)風(fēng)速的測量采用GSC200型速度傳感器。正常時，GSC200型速度傳感器輸出端輸出高電平信號，當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)定值25%時，經(jīng)過10～15秒延時，速度傳感器輸出端輸出低電平信號并傳送給終端節(jié)點。

通風(fēng)機(jī)軸承和電動機(jī)繞組溫度的測量采用Mircro Chip公司的數(shù)字溫度傳感器 TC77，該溫度傳感器內(nèi)置12位ADC轉(zhuǎn)換模塊，溫度分辨率可達(dá)0.0625℃，確保了被測對象的精準(zhǔn)檢測。

電動機(jī)的電壓和電流參數(shù)的測量采用 JD1940-BS4I 型電量變送器，輸入信號源可以是電壓，也可以是電流，該電量變送器可以準(zhǔn)確檢測這兩種信號，滿足實際測量需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

為保證終端節(jié)點軟件設(shè)計部分的可靠性和完備性，終端節(jié)點的軟件實現(xiàn)以Z-stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，采用電池供電的工作方式，減少數(shù)據(jù)采集頻率，降低了節(jié)點的能耗。節(jié)點采用信息采集-休眠-定時喚醒的循環(huán)工作模式（每60s喚醒一次）采集帶式傳送機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。在收發(fā)模式下工作時，系統(tǒng)的工作電流為15mA～17.5mA。在轉(zhuǎn)換為休眠模式后，節(jié)點處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)，工作電流僅為 1.25uA，大大降低了終端節(jié)點的能耗，滿足了終端節(jié)點長時間工作的要求，提高了終端節(jié)點的穩(wěn)定性。通過測試可得終端節(jié)點在一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算終端節(jié)點的電池壽命長達(dá)兩年之久。

系統(tǒng)運(yùn)行時，首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，進(jìn)行I/O端口、AD轉(zhuǎn)換、定時器等硬件模塊的初始化和網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)號、喚醒時延、協(xié)議棧等軟件設(shè)置的初始化；其次根據(jù)配置文件要求檢測網(wǎng)絡(luò)，綁定網(wǎng)絡(luò)并接受網(wǎng)絡(luò)地址；隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序。節(jié)點周期性的采集帶式傳送機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，循環(huán)往復(fù)，從而實現(xiàn)了對帶式傳送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時采集。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的主要部分，在監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)控制和管理帶式傳送機(jī)上的各個子節(jié)點。

系統(tǒng)運(yùn)行時，首先執(zhí)行初始化程序，各協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后會自動組建一個網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)啟動建立成功后，終端節(jié)點會將自己綁定到協(xié)調(diào)器節(jié)點上，而此時協(xié)調(diào)器節(jié)點必須處于允許綁定的狀態(tài)。成功綁定后，各終端節(jié)點會周期性的采集帶式傳送帶的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并以報告命令的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，整個過程的通信均依靠ZigBee 技術(shù)完成。協(xié)調(diào)器節(jié)點在接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包后會通過串口傳送到監(jiān)控主機(jī)，從而實現(xiàn)對帶式傳送機(jī)運(yùn)行狀況的實時監(jiān)控。

4 總結(jié)

基于Zigbee 技術(shù)設(shè)計的煤礦井下通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以將井下通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)實時上傳到監(jiān)控主機(jī)中，實現(xiàn)了對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有無線化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的特點，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測通風(fēng)機(jī)的實時運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，大大減少了巡檢人員的勞動強(qiáng)度，降低了由通風(fēng)機(jī)故障帶來的煤礦安全隱患。因此具有一定的參考使用價值，值得在礦產(chǎn)行業(yè)推廣和使用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]韓濤，黃友銳，曲立國.基于Zigbee的煤礦風(fēng)機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，2014，35（1）：218-220.

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[3]張曉華，張文芳，石如冬.基于Zigbee的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].控制工程，2013，20（S1）：1-4.