ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在綜采支架液壓監(jiān)測(cè)中的高可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王換換,王曉榮,劉 超,王 翔

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在綜采支架液壓監(jiān)測(cè)中的高可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王換換,王曉榮*,劉 超,王 翔

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)原理,對(duì)綜采支架液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容包含系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)自發(fā)式通信機(jī)制設(shè)計(jì)、中心訪問(wèn)式通信機(jī)制設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)試,動(dòng)態(tài)自發(fā)式通信機(jī)制在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性方面效果優(yōu)異,最大巡檢周期低于5 s,中心訪問(wèn)式通信機(jī)制通信穩(wěn)定,通信誤碼率低于10-8,適合在復(fù)雜礦下環(huán)境使用。

液壓監(jiān)測(cè);ZigBee;通信機(jī)制;可靠性;實(shí)時(shí)性

ZigBee技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù),具有低功耗、低速率、帶路由功能等特點(diǎn)。它是ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)主導(dǎo)制定的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),采用IEEE802.15.4作為物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)。可以在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個(gè)頻段上工作,傳輸速率分別為20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s,傳輸距離在10 m～150 m之間,但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離可以從150 mm繼續(xù)擴(kuò)展。

礦井下各種工作機(jī)械發(fā)出的電磁干擾,會(huì)對(duì)采用其他無(wú)線通信技術(shù)的產(chǎn)品正常通信造成極大的干擾,導(dǎo)致工作異常,這種異常情況在礦井下是極其危險(xiǎn)的。通過(guò)對(duì)礦井環(huán)境實(shí)地勘察,綜合比較產(chǎn)品成本、產(chǎn)品適用性、開(kāi)發(fā)難易程度等因素,發(fā)現(xiàn)使用ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方案比其他幾種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式更適合在礦井下工作。

1 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

1.1 無(wú)線通信方式的分析

短距離無(wú)線通信技術(shù)是指在幾十米距離范圍內(nèi)傳輸信息的無(wú)線通信技術(shù),伴隨通信技術(shù)的發(fā)展,短距離無(wú)線通信技術(shù)得到了飛躍式進(jìn)步,其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷增加。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,形成了一系列完備的無(wú)線通信協(xié)議和產(chǎn)品[21]。由于礦井下工作環(huán)境復(fù)雜,條件受限,所以綜采支架液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線通信的要求具有一定的特殊性,除了防塵、防水、防震和防爆功能之外,還要具有抗電磁干擾等特點(diǎn)。

1.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線通信技術(shù),在無(wú)線通信方面優(yōu)勢(shì)明顯,已經(jīng)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最具潛力和研究?jī)r(jià)值的技術(shù)。ZigBee技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)低功耗

ZigBee節(jié)點(diǎn)在工作環(huán)境中,依靠?jī)晒?jié)干電池就可維持使用半年到12個(gè)月。主要原因是采用了合適的能量管理策略,節(jié)點(diǎn)在工作周期內(nèi)盡可能多地進(jìn)入睡眠狀態(tài),減少空閑監(jiān)聽(tīng)時(shí)間。節(jié)點(diǎn)各單元耗能情況如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)各單元耗能情況

(2)低成本

ZigBee工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,并且2.4 GHz是全球覆蓋的免執(zhí)照頻段。另外,ZigBee協(xié)議無(wú)需協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。

(3)安全

ZigBee采用AES-128高級(jí)加密算法來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)載荷和防止攻擊者冒充合法設(shè)備。加密后的數(shù)據(jù)無(wú)法被惡意偵聽(tīng),從而阻止外部攻擊。

(4)近距離

ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備間直接通信距離通常為10 m～100 m。但是可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由和節(jié)點(diǎn)多跳接力的方式,傳輸距離可以更遠(yuǎn)。

1.3 信道分配和編碼

ZigBee有3個(gè)工作頻段,每一頻段寬度不同,其分配信道的個(gè)數(shù)不相同。在IEEE802.15.4中,總共分配了27個(gè)具有3種速率的信道:2.4 GHz頻段有16個(gè)速率為250 kbit/s的信道;915 MHz頻段有10個(gè)40 bit/s的信道;868 MHz頻段有1個(gè)20 bit/s的信道。這些信道的中心頻率定義如下:

Fc=868.3 MHz(k=0)

(1)

Fc=906 MHz+2(k-1)MHz (k=1,…,10)

(2)

Fc=2 405 MHz+5(k-11)MHz (k=11,…,26)

(3)

式中:k是信道編號(hào),可以根據(jù)信道的可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。

2 液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

礦井頂板的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,礦井總體上可以分為3層,頂層一般稱(chēng)作老頂,中間層稱(chēng)為直接頂,最下面是煤層。對(duì)礦井頂板壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè),主要方案是監(jiān)測(cè)分布在工作面內(nèi)的各個(gè)綜采支架液壓數(shù)值,把綜采支架所能承擔(dān)的安全液壓值設(shè)定一個(gè)閾值,當(dāng)液壓超過(guò)這個(gè)閾值的時(shí)候及時(shí)報(bào)警。

圖2 煤礦井下頂板結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

綜采支架液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分兩個(gè)部分,一是路由節(jié)點(diǎn),二是匯聚節(jié)點(diǎn),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示,路由節(jié)點(diǎn)安裝在液壓支架上,對(duì)其前支柱、后支柱、前身梁3點(diǎn)的液壓值進(jìn)行采集,多臺(tái)路由節(jié)點(diǎn)分布組成一個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心的網(wǎng)絡(luò),可以向匯聚節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸信息,同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)相互中轉(zhuǎn)傳遞信息;匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將路由節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線傳輸上來(lái)的信息通過(guò)光纖傳輸方式送達(dá)上位機(jī)終端,這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)上傳,可方便后期對(duì)液壓值情況的研究分析和預(yù)測(cè)。每個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)最大支持30臺(tái)路由節(jié)點(diǎn),如果工作區(qū)域面積大,則增加匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 電源系統(tǒng)電路

當(dāng)220 V的交流電壓經(jīng)過(guò)線性共模濾波器后,由整流、濾波、逆變?cè)俳?jīng)一輪整流、濾波就得到了系統(tǒng)要求的5 V直流穩(wěn)定電源。然后再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片將該電壓轉(zhuǎn)換為各模塊所需的電源。處理器及外設(shè)恒壓源電路如圖4所示。

圖4 處理器及外設(shè)恒壓電路

2.4 ZigBee無(wú)線射頻模塊

綜采支架液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù),選用以STM32W108為核心的ZigBee射頻模塊REX3SP。

REX3SP模塊中主要分為系統(tǒng)通用部分和射頻部分。通用部分包含了24個(gè)普通的GPIO口、6路模擬輸入通道、4個(gè)中斷;USART帶硬件流控制,多種接口如SPI接口、TWI接口等。無(wú)線模塊如圖5所示。

圖5 無(wú)線模塊圖

無(wú)線模塊左側(cè)是發(fā)射通路,右側(cè)為接收通路。對(duì)于接收通路,這不僅僅是一個(gè)相對(duì)發(fā)送的反向過(guò)程,中間需要更多的信號(hào)處理。

圖6 路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.5 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ),然后按照設(shè)計(jì)的通信機(jī)制發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn),或者為其他路由節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。圖6是路由節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。

路由節(jié)點(diǎn)上電后,首先需要對(duì)各模塊進(jìn)行初始化,配置模塊狀態(tài)。然后開(kāi)啟無(wú)線模塊,訪問(wèn)各個(gè)通道(16個(gè)通道,2405 MHz～2480 MHz)搜索網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入,當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答時(shí)就可以準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)了。

圖7 傳感器恒壓源

2.6 傳感器供電電路

使用3.3 V恒壓源為傳感器供電,傳感器恒壓源如圖7所示。路由節(jié)點(diǎn)以固定周期來(lái)采集綜采支架液壓數(shù)據(jù),為了在空閑時(shí)降低功耗,需要停止對(duì)壓力傳感器供電,此處的P型MOS管就是用來(lái)控制穩(wěn)壓芯片S-1206B33電源的開(kāi)與關(guān)。

因?yàn)锳D放大器采用差分放大模式,所以需要負(fù)電壓,選用ICL7660極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器,將傳感器的3.3 V電源轉(zhuǎn)換為-3.3 V,外圍電路如圖7所示。

3 動(dòng)態(tài)自發(fā)式通信機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

匯聚節(jié)點(diǎn)采取定時(shí)器判斷的方法,當(dāng)?shù)?個(gè)數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器,定時(shí)時(shí)間為10 ms,如果第2個(gè)數(shù)據(jù)過(guò)來(lái)就復(fù)位定時(shí)器重新計(jì)數(shù),如果一幀數(shù)據(jù)都傳完了,那么在接收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)后,定時(shí)器能夠到達(dá)10 ms的定時(shí),這代表一幀數(shù)據(jù)接收完成,此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器并向主函數(shù)發(fā)一封郵件,告知一幀數(shù)據(jù)接收完成可以處理了。動(dòng)態(tài)自發(fā)式通信機(jī)制將串口接收、定時(shí)器、郵件收發(fā)幾個(gè)功能結(jié)合在一起,保證時(shí)間上幾乎零等待,自主判斷執(zhí)行狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)代碼流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)接收流程圖

4 中心訪問(wèn)式通信機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建成功后,路由節(jié)點(diǎn)以廣播模式發(fā)送握手幀搜尋匯聚節(jié)點(diǎn),當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)收到握手請(qǐng)求后根據(jù)對(duì)應(yīng)編號(hào)分配緩存區(qū),并回應(yīng)握手成功幀。若路由節(jié)點(diǎn)接收到握手成功幀后,進(jìn)入訪問(wèn)監(jiān)聽(tīng)模式等待指令,自此表明路由節(jié)點(diǎn)連接認(rèn)證成功。若沒(méi)有接收到握手成功幀,則繼續(xù)發(fā)送握手幀搜尋匯聚節(jié)點(diǎn)。根據(jù)握手情況,匯聚節(jié)點(diǎn)判斷是否所有路由節(jié)點(diǎn)均已連接認(rèn)證成功,如果還有未連接節(jié)點(diǎn),依然等待接收握手幀,同時(shí)依次訪問(wèn)所有已加入節(jié)點(diǎn),接收數(shù)據(jù)并反饋,此過(guò)程不斷循環(huán)。

使用MAC庫(kù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)交互主要包括3個(gè)方面內(nèi)容:網(wǎng)絡(luò)形成、加入網(wǎng)絡(luò)、離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。形成網(wǎng)絡(luò)的一般是由匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)發(fā)起的,而加入網(wǎng)絡(luò)針對(duì)的是路由節(jié)點(diǎn)。首先要做的就是初始化,其內(nèi)容包括:初始化HAL層、播種隨機(jī)數(shù)生成器、使能中斷、初始化串口通信信道、執(zhí)行無(wú)線電初始化和校準(zhǔn)。

5 測(cè)試分析和總結(jié)

5.1 通信距離測(cè)試

為了驗(yàn)證無(wú)線傳輸方案的可行性,搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的組網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行傳輸距離測(cè)試。通信距離測(cè)試使用1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和7個(gè)路由節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1～7),利用周?chē)男@環(huán)境組成ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)方位布局如圖9所示。

圖9 無(wú)線節(jié)點(diǎn)方位布局

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空曠條件下,100 m及以內(nèi)無(wú)線通信能實(shí)現(xiàn)無(wú)丟包傳輸,通信距離在100 m～130 m時(shí)丟包率低于5%。能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5.2 通信穩(wěn)定性測(cè)試

使用上位機(jī)軟件讀取匯聚節(jié)點(diǎn)接收存儲(chǔ)的壓力數(shù)據(jù),將壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件繪制的圖形如圖10所示。

圖10 壓力采集數(shù)據(jù)曲線

實(shí)驗(yàn)采集到的壓力值為26.4 MPa,與此時(shí)的壓力表校驗(yàn)器上顯示的數(shù)值一致,且每天中午12點(diǎn)記錄的壓力值與采集到的壓力值是吻合的。

5.3 通信誤碼率測(cè)試

誤碼率測(cè)試軟件產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)0～255,以十六進(jìn)制形式發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)及時(shí)將收到數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn);路由節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)后,立即將收到的全部數(shù)據(jù)返回至匯聚節(jié)點(diǎn),再傳至上位機(jī)。上位機(jī)統(tǒng)計(jì)發(fā)送、接收的次數(shù),并把接收的數(shù)據(jù)與發(fā)出去的數(shù)據(jù)做比較,統(tǒng)計(jì)接收數(shù)據(jù)與原發(fā)出數(shù)據(jù)的相同(正確)、不同(錯(cuò)誤)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),同時(shí)對(duì)接收數(shù)據(jù)按位比較,統(tǒng)計(jì)正確、錯(cuò)誤的位數(shù),如圖11所示。

圖11 誤碼率測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)表明,中心訪問(wèn)式通信機(jī)制在長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中通信良好,斷線重連功能滿足需求,穩(wěn)定性經(jīng)得住考驗(yàn)。

圖12 示波器波形圖

5.4 通信實(shí)時(shí)性測(cè)試

使用1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和30個(gè)路由節(jié)點(diǎn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)自發(fā)式通信機(jī)制,組成測(cè)試系統(tǒng)。從圖12可以看到,路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送完報(bào)警信息后,匯聚節(jié)點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)反饋,間隔時(shí)間大約為50 ms。

實(shí)驗(yàn)表明,動(dòng)態(tài)自發(fā)式通信機(jī)制在報(bào)警信息延遲處理方面表現(xiàn)優(yōu)異,達(dá)到系統(tǒng)要求。

6 總結(jié)

本文對(duì)礦下通信機(jī)制的實(shí)時(shí)性和可靠性進(jìn)行了分析和研究,主要介紹了通信機(jī)制的工作過(guò)程,通過(guò)硬件搭建和軟件實(shí)現(xiàn),以及對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試,針對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行了一定的分析。本文雖然是針對(duì)現(xiàn)有綜采支架液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無(wú)線傳輸方面的不足進(jìn)行了改進(jìn),也通過(guò)了一系列的模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試,但是由于煤礦復(fù)雜、危險(xiǎn)的環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)合,還是需要更加實(shí)際的測(cè)試條件和更嚴(yán)格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

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HighReliabilityOptimizationDesignofZigbeeWirelessNetworkinHydraulicMonitoringofFullyMechanizedMiningSupport*

WANGHuanhuan,WANGXiaorong*,LIUChao,WANGXiang

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

Based on ZigBee wireless network principle,the wireless communication design of hydraulic monitoring system is optimized. The main contents contain the overall system design,dynamic spontaneous communication mechanism design and polling communication mechanism design. After experiments,the dynamic spontaneous communication mechanism in real-time data transmission effect is excellent,the maximum inspection period is less than 5 s,polling communication mechanism is stable,communication error rate is less than 10-8,which is suitable for use in the undermining complex environment.

hydraulic monitoring;ZigBee;communication mechanism;reliability;instantaneity

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.043

項(xiàng)目來(lái)源:青島本末巖控有限公司產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目

2016-07-12修改日期2016-09-21

TN911

A

1005-9490(2017)05-1278-05

王換換(1993-),女,漢族,南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng),1243709738@qq.com;

王曉榮(1972-),男,副教授,漢族,主要研究方向?yàn)榉治鰞x器和嵌入式系統(tǒng),wang@njtech.edu.cn。