基于ZigBee的礦用鋼絲繩探傷傳感器數據采集與傳輸技術研究

任明月　孟國營

【摘 要】目前礦用鋼絲繩探傷傳感器大都采用有線的方式傳輸信號，這種方法布線復雜，費時費力。針對這種問題，本文設計了一種基于ZigBee的礦用鋼絲繩無線探傷傳感器。研究礦用鋼絲繩探傷傳感器數據采集與傳輸，將傳感器采集的監測數據通過ZigBee模塊進行無線傳輸，并最終在上位機進行監測數據的終端顯示、分析、存儲，實現對鋼絲繩在線的損傷定量檢測。

【關鍵詞】鋼絲繩；ZigBee；無線；損傷檢測

Research on Data Acquisition and Transmission Technology of Mine Wire Rope Detection Sensor Based on ZigBee

REN Ming-Yue MENG Guo-ying

（China University of Mining & Technology〈Beijing〉，Beijing 100083，China）

【Abstract】At present，most of the mining wire rope detection sensors use wired way to transmit signals.In order to solve this problem，this paper designs a kind of wireless detection sensor for mine wire rope based on ZigBee.Study on the wire rope detection sensor data acquisition and transmission，monitoring data will be collected by the sensor for wireless transmission through the ZigBee module，and finally to the terminal monitoring data display，analysis， storage in PC，to realize the damage of wire rope online quantitative detection.

【Key words】Wire rope；ZigBee；Wireless；Damage detection

0 前言

礦井提升設備負責完成礦井運輸煤炭和矸石、投放設備、搭載人員等工作。鋼絲繩作為提升系統的關鍵部件，在我國煤炭行業中得到廣泛應用。由于鋼絲繩長期在復雜環境中長時間連續高負荷運轉，會產生各種類型的缺陷或損傷，進一步發展將導致事故的發生[1]，因此開展鋼絲繩損傷檢測的理論與技術研究勢在必行。目前使用的鋼絲繩探傷傳感器大都采用有線傳輸方式，這種方式布線復雜，過多的線路對檢測過程存在干擾，長距離的傳感器接線電阻過大導致傳輸距離受限。

無線傳感器網絡是當今國際上備受關注的熱門研究領域，它綜合了傳感器、嵌入式計算、現代化網絡和分布式信息處理等技術，可以通過多種集成化的微傳感器完成對監測對象的數據信號的實時監測、采集與感知。這些信號通過無線方式發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端。在多種無線通信方式中，ZigBee技術是一種低功耗、低成本、低復雜度、低傳輸速率的雙向無線通信技術，適用于短距離的無線通信，并能嵌入到各種通信設備中去[2]。所以本文設計采用ZigBee技術對礦用鋼絲繩探傷傳感器采集的監測數據進行無線傳輸。

1 系統結構及原理

本文以ZigBee網絡為基礎，設計了鋼絲繩無線探傷傳感器網絡，它由上位機、協調器、數據采集器和鋼絲繩探傷傳感器組成。鋼絲繩探傷傳感器主要是采集監測信號，將采集的信號傳輸到協調器，協調器通過ZigBee網絡將采集到的監測數據無線傳輸到數據采集器，數據采集器通過串口送到上位機上進行數據的處理和分析。

2 系統主要硬件

2.1 數據采集與無線傳輸模塊設計

數據采集與傳輸模塊由CC2530中央處理部分、CC2591單元、數據采集模塊、外部數據存儲模塊、電源部分和LED等組成。其中，數據采集模塊主要是負責采集數據，并完成數據的轉換。

該模塊的中央處理器采用的是TI公司生產的CC2530芯片，它集微處理器和無線收發模塊為一體，其內部集成了高性能射頻收發器、工業標準增強型8051MCU內核、8KB RAM 和256KB Flash ROM。CC2530的應用較為簡單，只需要外接少數的電路即可實現。因為CC2530自身帶有射頻功能，通常對于小功率網絡節點的設計不需要外加額外的射頻芯片，所以CC2530外加一些簡單電路即可實現射頻功能。

2.2 傳感器模塊設計

目前，在基于漏磁檢測方法的鋼絲繩損傷檢測設備中，通常采用霍爾元件作為檢測元件。采用霍爾元件的檢測傳感器最大優點是體積較小，有利于對小間隙空間磁場進行測量，且輸出信號與檢測速度無關，因而被廣泛應用。

本文采用霍爾元件對鋼絲繩進行探傷檢測，其檢測原理屬于漏磁檢測法。霍爾元件放置在鋼絲繩周向表面附近，可感應鋼絲繩缺陷漏磁場軸向或徑向分量，并將漏磁信號轉化為電壓信號。其原理是在霍爾元件兩側通一控制電流I，被檢鋼絲繩經磁化后，在缺陷處會產生漏磁場B，該磁場作用在霍爾元件上時會產生霍爾電勢VH。

VH=KHIBcos？茲（1）

式（1）中KH為霍爾元件的靈敏度系數，I為輸入的控制電流，？茲為磁感應強度B與霍爾元件平面法向量之間的夾角。其中穿過霍爾元件的磁場B主要由兩部分組成，一部分是被檢鋼絲繩段無缺陷存在時其表面的漏磁場B1，當鋼絲繩被磁化后，該漏磁場是不能避免存在的，B1主要由兩磁極間的空氣耦合磁場和鋼絲繩繩股結構產生的股波、絲波漏磁場構組成；另一部分為被檢鋼絲繩存在缺陷時，缺陷附近產生的附加漏磁場B2，該磁場與鋼絲繩缺陷的寬度、缺陷在繩股中的位置、以及霍爾元件與缺陷之間的相對距離等因素有關。實際應用中，在勵磁裝置和鋼絲繩型號一定時，B1為常量，其產生的霍爾電勢可以通過系統調零去掉，傳感器輸出的霍爾電勢大小及其變化主要是由B2決定，因此由霍爾電勢便可測得鋼絲繩缺陷處的漏磁場，根據該漏磁場判斷鋼絲繩的缺陷狀況[1]。

2.3 其他模塊設計

硬件系統中添加CC2591射頻芯片，能夠提高輸出功率和改善接收機的增益，且大大簡化了射頻電路的設計；外部數據存儲單元主要用來存儲終端傳感器節點采集的數據；LED單元是用來顯示節點是否加入或退出網絡；為降低功耗，該節點中的電源通常采用兩節電池實現。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee開發環境

IAR Embedded Workbench（簡稱EW）的C/C++交叉編譯器和調試器是專業的嵌入式系統開發工具。對于不同的微處理器，EW能夠提供同樣直觀的用戶界面。EW包括嵌入式的C/C++優化編譯器、匯編器、編輯器、庫管理員、連接定位器、C-SPY調試器及項目管理器。其編譯器生成的代碼緊湊、優化，能夠節省硬件資源，降低產品成本，從而提高產品的競爭力[4]。

3.2 ZigBee協議棧工作流程

Z-Stack的工作流程：系統的初始化，為OS（實時操作系統）的運行做好準備，其主要包括初始化系統時鐘、與配置系統的定時器、檢測芯片的工作電壓、以及芯片的各個硬件模塊等；當系統的初始化完成后，開始運行操作系統的入口程序，然后將控制權完全交給操作系統，執行操作系統，進入任務循環，比較任務的優先級，最后調用相應的事件處理函數來處理該任務的事件[5]。

3.3 ZigBee協議棧實時操作系統

操作系統是Z-Stack協議棧需要依存的運行環境，Z-Stack的main函數總共做了兩項工作：一項是系統的初始化，即啟動代碼對硬件系統及軟件架構所需的各個模塊進行初始化；另一項是開始執行OS實體，就是進入OSAL任務的主循環，比較任務的優先級，調用相應的事件處理函數，完成相應的操作。

Z-Stack協議棧是對ZigBee的具體實現，在基于Z-Stack協議棧的應用開發中，用戶只用實現應用程序框架即可。Z-Stack中使用了操作系統的概念，程序中為OSAL層。OSAL層與Z-Stack是互相獨立的，但是整個Z-Stack要基于OS才能運行。OSAL能夠實現一個易于使用的操作系統平臺，它可通過時間片輪轉函數來完成多任務的調配，從而提供多任務的處理機制[6]。

4 結語

本文設計了一種基于ZigBee的礦用鋼絲繩探傷傳感器數據采集與無線傳輸系統。因CC2530結合了射頻模塊和高性能8051單片機，且適用于功耗解決方案，所以節點以CC2530為核心，采用IAR工具進行Zigbee協議棧的設計，用C語言進行編程。并基于CC2530主芯片及CC2591射頻芯片對ZigBee節點進行了硬件設計。形成一個可以實現鋼絲繩損傷實時監測系統的傳感器網絡。

【參考文獻】

[]1王紅堯.煤礦提升鋼絲繩在線檢測關鍵技術研究[D].中國礦業大學，2009.

[2]褚昊，張恩迪.基于ZigBee的光伏電池檢測監控系統設計[J].電源技術，2016， 40（3）：621-624.

[3]高金轉， 彭旭鋒， 張會新，等.基于ZigBee無線傳感網絡的環境監測系統的設計[J].電子器件， 2016， 39（3）：546-550.

[4]王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現[D].西安電子科技大學，2012.

[5]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530和ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用.2011，20（7）.pp.184-187

[6]李洪波， 李國良， 譚福奎，等.基于ARM和ZigBee模塊的電度表采集器設計[J].興義民族師范學院學報，2014（6）：97-100.

[責任編輯：田吉捷]