基于ZigBee和GPRS融合的礦井提升設備狀態監測系統設計

丁江江 李娟莉,3 王學文

(1.太原理工大學機械工程學院，山西省太原市，030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西省太原市，030024;3.山西焦煤集團有限責任公司博士后科研工作站，山西省太原市，030024)

1 引言

目前，常見的礦井提升設備的狀態監測系統是在設備的運行狀態數據的監測位置放置傳感器，采集提升設備運行過程中的一系列運行參數，通過現場布線的方式即利用網線將數據傳輸到現場的工控機對采集到的數據進行處理，并利用組態監測軟件顯示設備各項運行狀態及異常報警，實現對設備生產和運行狀態的現場監測。在實際生產中，為了保證井下人員以及生產安全，通常會將采集到的數據通過以太網實時地傳輸到遠端數據中心，方便專業人員遠程對煤礦提升設備的運行狀況遠程監測和設備是否良好運行的在線診斷，這些就要求組建的數據網絡傳輸具有較高的穩定性和安全性。考慮到礦區的生產環境以及地理位置偏遠等實際情況，加上煤礦生產過程中各種偶然性干擾因素也會影響甚至降低提升設備狀態監測數據的傳輸質量和可靠性，因此礦井提升設備遠程監測系統網絡傳輸穩定性問題至關重要。

李靜雅等研究人員開發了基于物聯網軟件體系結構的提升機監測系統通用平臺，實現了礦井提升設備的狀態監測與物聯網技術的結合。現有的半無線或者全有線的礦井提升設備遠程狀態監測系統在系統框架的靈活性、簡易性較差，在地理環境、生產環境的礦區搭建的難度較大，系統的數據傳輸穩定性和快捷性有待加強；羅回彬等研究人員采用ZigBee協議建立無線傳感器網絡，而且通過WiFi模塊接入互聯網，實現對傳感器節點數據的采集；楊瑞峰等研究人員指出ZigBee組建無線網絡具有低速率、低功耗、延時短、網絡存儲量大等優勢；高寧等研究人員針對礦井提升機運行狀況監測設計了一種基于ZigBee技術的無線數據采集系統，這是一種ZigBee應用在礦井提升設備狀態監測近距離無線傳輸系統；劉生江提出了基于GPRS無線網絡的礦井提升機故障監測系統的設計方案；鄭洪強等研究人員采用GPRS無線通信技術與SOM神經網絡信號處理技術相結合的方法；閆成志指出GPRS無線系統監測數據采集速度快、雙向高效傳輸、并且能夠智能化監控；丁鵬在電梯遠程監控系統中設計了將遠程與短距離無線通信相融合的通信方案，即基于ZigBee與GPRS融合的監控系統。

上述研究對本課題的研究具有重要的借鑒作用，但未實現全無線方式的遠程在線實時監測系統在礦井提升設備方面的應用。本系統旨在利用ZigBee和GPRS技術實現對礦井提升設備進行全無線方式的遠程狀態監測，這種數據傳輸方式避免了煤礦現場生產環境惡劣以及有線網絡傳輸數據的不穩定等劣勢，提高了整個監測系統的可靠性，可以穩定、實時地將煤礦生產過程中礦井提升設備運行狀況的各項數據傳輸到遠端網絡數據中心實現遠程監測和數據高效存儲，方便技術人員進一步對設備的運行狀態進行評估和有效的故障診斷，對后期煤礦生產過程的提升設備保養和檢修提供更加準確的指導。

2 礦井提升設備狀態監測系統框架及功能設計

2.1 系統整體框架

本系統將 ZigBee 和 GPRS 技術結合起來，利用了ZigBee短距離、功耗低以及GPRS網絡通信覆蓋區域廣的優勢組建了礦井提升設備的遠程狀態監測系統，其整體框架如圖1所示。

圖1 礦井提升設備狀態監測系統整體框架

現場監測站通過安裝在礦井提升設備監測部位的傳感器節點組成的ZigBee無線傳感網絡將監測數據存儲于現場服務器中，之后將相關數據以系統約定的格式調至服務器串口，并通過與服務器串口相連的GPRS模塊傳輸至遠程數據中心。遠程數據中心完成數據包的接收、處理、顯示和存儲。實時數據能夠成功存儲于數據中心數據庫意味著整個無線傳輸系統的任務完成。根據系統的功能設計，確定本系統功能通過以下3個主要部分實現：現場ZigBee網絡近距離監測和數據提取部分，GPRS遠程無線傳輸部分，數據接收、后續處理及存儲部分。

2.2 系統功能設計

本系統實現的主要功能為：一是利用ZigBee短程無線傳感網絡將礦井提升設備的各項運行數據通過無線傳輸的形式傳送給現場的服務器；二是從現場數據庫提取特征數據經由GPRS網絡打包傳輸至遠程數據中心；三是配套的軟件能對傳輸回來的數據進行展示分析及高效率存儲，并且能夠對設備運行異常狀態作報警指示。礦井提升設備狀態監測系統功能設計流程如圖2所示。

圖2 礦井提升設備狀態監測系統功能設計流程

3 礦井提升設備狀態監測系統硬件及節點功能設計

3.1 現場傳感網絡節點設計

傳感網絡的目的是采集提升設備的各項運行數據并且能夠傳送給現場的服務器，將 ZigBee節點安裝在需要監測的設備關鍵部位，各節點能夠自主形成監控網絡。單獨的節點能夠通過各類傳感器采集溫度、速度以及加速度等各種信號，終端節點將各類信號通過協議棧匯總發射到ZigBee網絡中作為協調器一端。協調器節點通過串口通信的方式將設備運行參數信息發送給PC機確保能夠通過圖形化軟件進行動態顯示。本系統選擇了WeBee團隊的Zigbee模塊(CC2530F256)，該模塊具有高性能、低功耗的 8051 微控制器內核。該芯片在內置高性能低功耗的8051微控制器內核的基礎上整合了ZigBee射頻前端和內存，具有256 KB可編程閃存和8 KB的SRAM、1個通用的 16 位和1個8位定時器、高級加密協議的安全協同處理器以及21個可通用I/O引腳。另外還具有封裝體積小、功耗低的優點。

3.2 GPRS網絡透傳節點設計

監測數據存儲于工業現場服務器之后需要將其通過特定的格式打包然后利用GPRS模塊通過GSM/GPRS網絡傳送到遠程數據中心，GPRS模塊主要負責數據傳輸，GPRS節點數據傳輸方式如圖3所示。

現場的服務器是通過串口與GPRS模塊相連的。本系統GPRS模塊選擇了有人物聯網生產的RS232+485串口轉GPRS DTU GSM，具體型號為USR-GPRS730，四頻全球通用，支持GSM/GPRS網絡，支持2G/3G/4G手機卡。該模塊自帶RS232和RS484串口，集成功能強大，配置4 KB的數據緩存，網絡連接異常時可以保證緩存數據不丟失，工作模式多樣(網絡透傳、短信透傳等)，應用靈活。DTU匹配遠程數據中心服務器的IP地址和端口號，利用Socket模式進行數據的傳輸，支持四個網絡連接同時在線，支持TCP和UDP。選擇GPRS網絡覆蓋更廣的中國移動SIM卡為模塊提供移動數據服務。

圖3 GPRS節點數據傳輸方式

4 礦井提升設備狀態監測系統軟件設計

4.1 系統軟件設計流程

整個系統的配套軟件基于之前的系統框架而設計，主要包括感知層軟件、網絡層軟件、應用層軟件，感知層的軟件主要功能是ZigBee節點的數據采集和處理，網絡層軟件的主要功能主要是ZigBee節點近距離及GPRS模塊遠程無線數據傳輸的數據發送和接收，應用層軟件的主要功能是提升設備運行狀態數據的存儲和顯示、異常報警等。礦井提升設備狀態監測軟件設計流程如圖4所示。

圖4 礦井提升設備狀態監測軟件設計流程

4.2 現場數據監測和數據提取

提升現場ZigBee節點組建的短距離無線傳感網絡的組網程序是在ZigBee協議棧下， 采用相配套的IAR軟件進行編寫完成的。在IAR 8.10環境下利用注釋后的Z-Stack協議棧開發，方便ZigBee組網開發直接在對應的工程文件上進行修改，得到本研究需要的程序。然后將編寫好的現場數據發送程序及數據接收程序對應下載到ZigBee終端節點和協調器的核心板上。ZigBee無線傳感網絡組建流程如圖5所示。

圖5 ZigBee無線傳感網絡組建流程

提升現場無線傳感網絡將各項數據傳送到現場服務器的數據庫中之后需要進行提取，打包傳送給GPRS模塊才能進行下一步的網絡透傳。利用VB語言編寫運行數據提取軟件，采用模塊化設計和通用的數據庫接口程序，利用了VB6.0中的ADO控件保證與SQL Sever的動態穩定連接。利用timer控件保證提取的數據具有同步性不會嚴重滯后，還能確保現場采集到的運行數據可以通過GPRS模塊同步地發送到遠程數據中心。另外，在數據異常或者超過安全限定時能夠觸發報警系統及時向數據中心發送警報信息，方便專業人員對生產現場的設備運行狀況進行緊急異常分析和臨時調度。ZigBee無線傳感網絡中終端節點采集數據流程如圖6所示。

圖6 ZigBee終端節點采集數據流程

4.3 GPRS無線傳輸部分

GPRS傳輸部分使用了有人物聯網生產的USR-GPRS 730模塊，可以通過自帶的串口調試助手V2.2進行串口的設置與調試。在網絡數據透傳模式下，現場數據庫可以通過串口和該模塊連接然后發送數據到網絡上指定的服務器。并且模塊也可以接收來自服務器的數據，并將信息轉發至串口設備，即該DTU能夠進行雙向網絡透傳。GPRS節點發送數據流程如圖7所示。

4.4 數據接收、處理部分

數據中心的數據接收監測軟件同樣是利用控件豐富且開發性好的VB語言開發，利用VB 6.0編寫完成的數據接收軟件可以接收GPRS模塊傳輸回來的數據，并且能夠以圖表和數據欄的方式進行顯示。通過監測軟件我們可以看到數據傳輸和設備運行狀態是否正常。監測軟件在啟動后會將接收到的數據自動存儲到數據中心的數據庫中。另外，系統選擇的GPRS模塊可以通過短信AT指令使用短信的方式去查詢和配置模塊的參數，并且可以利用短信AT指令對GPRS模塊進行遠程參數設置，即該平臺實現了對GPRS模塊的遠程控制和參數配置。為了方便后期對數據的分析和設備故障診斷將SQL Sever數據庫作為提升設備運行參數的存儲工具，并且設置存儲方式為成功建立監測網絡的情況下的自動存儲。GPRS節點數據接收流程如圖8所示。

圖7 GPRS節點發送數據流程

圖8 GPRS節點數據接收流程

5 實驗測試及結果分析

為了驗證首次應用在礦井提升設備中的全無線方式的遠程監測系統的準確性以及可靠性，搭建了2JTP-1.2型提升機作為改系統穩定性測試實驗臺。將ZigBee節點分別與與提升機閥口處的壓力傳感器、制動器上的位移傳感器連接組成感知層的下層無線傳感網絡即ZigBee終端節點，然后將ZigBee節點通過串口與現場監測工控機連接作為無線傳感網絡中的協調器，GPRS模塊通過串口連接到監測現場的服務器完成了系統的網絡層搭建，安裝在遠程的數據中心的礦井提升設備運行數據接收、顯示、處理、存儲軟件作為系統的應用層。測試成功后部分軟件界面如圖9所示。

由圖9可以看出，遠程的數據中心能夠接收到由試驗測試平臺現場服務器通過GPRS無線網絡傳輸回來的各項提升機運行監測數據，能夠實時、動態地展示各項數據，并且對異常的數據進行報警。同時對安裝在數據中心的SQL Sever進行遠程傳送回來的數據查詢，能夠找到存儲路徑，達成了數據提取、存儲的設計要求。另外，由于采用通用的數據庫接口程序，使得系統移植性較好。與傳統的提升設備狀態監測系統相比，本系統首次實現了全無線形式的遠程狀態監測，工作人員和專家可以遠程對設備的運行狀態進行評估和故障診斷，克服了礦區生產環境惡劣、布線難度大、成本高等難題，同時增強了監測系統的靈活性和穩定性，對于礦區的安全生產意義重大。

6 結語

基于ZigBee及GPRS技術互補的的全無線形式的礦井提升設備運行數據采集系統主要包括“一近一遠”兩部分的無線數據傳輸模式，其中由C2530集成的ZigBee節點完成提升設備運行數據的短距離無線傳輸，由GPRS模塊完成數據經過GPRS/GSM網絡傳到遠程數據中心的遠距離無線傳輸。既克服了礦區地理環境惡劣、GPRS網絡覆蓋不到的難題，又解決了ZigBee節點組建的無線傳感網絡只能近距離傳輸的弊端。除此之外，設計的配套軟件搭配系統的硬件結構運行情況良好。系統總體結構易搭建、可擴展性強。通過具體的實驗測試表明，ZigBee節點能夠可靠的采集到礦井提升設備相關運行數據，通過ZigBee結合GPRS的全無線網絡穩定地傳輸到遠程數據中心，并進行圖形顯示和利用SQL Sever存儲數據。同時該系統進行功能設計時采用的是通用的數據庫接口程序，對于其他工業生產的監測具有較強的移植性，具有較大的推廣及應用價值。

圖9 測試成功后部分軟件界面