基于藍牙通信的液壓支架壓力監測系統研究

高文杰

（山西焦煤西山煤電集團有限公司屯蘭礦選煤廠，山西 古交 030206）

0 引言

液壓支架是現代綜采工作面的主要支護設備，并且數量較多，如果液壓支架出現故障但無法及時排除，將會嚴重威脅綜采工作面的安全生產，因此實現對液壓支架工作狀態的實時監控意義重大，其中液壓支架的壓力信息尤為重要，現有的液壓支架壓力監測系統多依賴有線通信傳輸數據，不僅成本高、布線困難，且線路易磨損、維護不便。為了解決這一問題，本文引入藍牙通信作為數據傳輸的方式，具有較高的數據傳輸可靠性。

1 系統總體方案設計

1.1 系統結構

液壓支架壓力監測系統的總體結構如圖1所示。壓力監測系統通信結構主要分為2層，以嵌入式網關作為分界點，底層采用藍牙通信作為主要通信方式，壓力采集表采集到的數據發送至藍牙源節點，藍牙源節點將壓力信息通過藍牙路由節點上傳至嵌入式網關；上層通信主要通過工業以太網完成數據傳輸，嵌入式網關將藍牙路由節點發來的數據進行打包并上傳至上位機管理軟件，工作人員可以通過上位機管理軟件設置預警值，當壓力超過預警值即發出報警，另一方面上位機管理軟件也負責壓力數據的實時顯示以及存儲，方面工作人員的查看以及實時監控。

圖1 壓力監測系統總體結構圖

系統中的藍牙嵌入式網關、藍牙路由節點以及藍牙源節點都屬于藍牙設備，藍牙設備主要由微控制器以及藍牙芯片組成。由于藍牙路由節點和藍牙源節點需要處理的數據量較小，因此選用成本較低的低功耗芯片STC13L2K08S2，該芯片不需要外部復位和晶振，因此降低了電路板布線難度。嵌入式網關對微控制器的處理能力有較高要求，因此選用基于Cortex-M3內核的32位微處理器STM32F103RCT6，該芯片在保持較低功耗的同時擁有較高的處理速度，內部Flash容量為256kB，并可擴展外部存儲器。三種藍牙設備的藍牙芯片均選用BlueCore CSR8645A03，該芯片符合IEEE802.15.1通信協議標準，功耗低、傳輸速度快，接收器的靈敏度為-93dBm，最大傳輸距離為100m，最大輸出功率為10dBm。

1.2 壓力監測系統工作原理

壓力采集表負責采集液壓支架工作時的壓力數據，然后將數據上傳至藍牙源節點，為了降低功耗，藍牙設備平時處于睡眠狀態，當接收到數據后則被喚醒進入工作狀態，該藍牙節點被喚醒后即開始尋呼周邊的藍牙設備，附近原本處于睡眠狀態的藍牙設備收到呼叫后建立連接，這些藍牙設備中發出尋呼的藍牙設備為主設備，而接受尋呼的藍牙設備為從設備，一臺主設備和一臺從設備組成的簡單網絡即為微微網，一個主設備最多可以與7個從設備建立連接，并且一臺主/從設備也可能是另一臺設備的從/主設備，這樣就形成了藍牙自組網絡，網絡中同時具備主設備和從設備兩種身份的藍牙設備即為橋節點，在藍牙自組網絡中，任意兩個藍牙設備均可實現數據傳輸。

嵌入式網關被喚醒后，開始接受藍牙路由節點發送的壓力信息，然后將信息通過以太網上傳至上位機，同時也將數據存入了外部存儲器中，當工業以太網失效時，工作人員可以通過USB接口將數據導出，避免由于故障導致的監測系統失效。

2 藍牙自組網過程

根據壓力監測系統的總體結構，嵌入式網關是藍牙自組網中數據傳輸的唯一目的節點，而藍牙源節點是藍牙自組網中的源節點，當液壓支架停止工作時，則網絡中所有的節點均進入休眠狀態，從而減少電量消耗，當液壓支架工作時，則連續檢測和傳輸液壓支架的壓力信息。根據上述要求，藍牙自組網絡應為樹狀結構，其中目的節點只有一個，路由節點作為目的節點的子節點同時也是橋節點，負責信息的轉發，同時路由節點又應該有一定數量的子節點，子節點中可以是其他路由節點也可以是源節點，而源節點沒有數據轉發的功能。藍牙自組網拓撲結構如圖2所示。

藍牙自組網形成過程如下：

1）路由發現。當源節點接收到壓力采集表的數據被喚醒后，即向網絡中的其他節點發送路由發現數據包，并快速轉發至整個網絡，用于尋找目的節點。

2）構建散射網。目的節點在接收到路由發現數據包后，即開始尋找附近的路由節點，并構成相應的微微網，當目的節點的從設備達到7個后，即停止尋找路由節點。然后已經加入網絡的路由節點尋找其他沒有加入網絡的路由節點作為自己的子節點，當所有的路由節點都已經加入網絡后，路由節點開始尋找附近的源節點加入網絡，從而完成了自組網的過程。

圖2 藍牙自組網結構圖

3 壓力監測系統軟件

3.1 藍牙源節點和路由節點軟件設計

由于壓力監測系統主要依靠電池進行供電，因此監測系統的功耗是必須考慮的問題，由于液壓支架的壓力數據主要用于升降架的過程中，所以當液壓支架不進行升降架的時候，壓力監測系統處于休眠狀態，當壓力發生突然變化時，壓力監測表開始采集數據上傳至藍牙源節點，并使其進入工作狀態，在藍牙自組網形成以后，藍牙源節點開始向目的節點（嵌入式網關）發送數據。在發送數據過程中，首先應由藍牙路由節點尋呼藍牙源節點，并建立鏈接，鏈接建立成功后，藍牙源節點將數據傳輸至藍牙路由節點，并由藍牙路由節點轉發至嵌入式網關，從而完成數據傳輸。如果在建立鏈接過程中被其他源節點搶占，則等待下一次路由節點發起鏈接，軟件流程如圖3所示。

圖3 藍牙源節點工作流程圖

3.2 嵌入式網關軟件設計

嵌入式網關不僅是通信系統頂層和底層的中轉裝置，并且其本身也能夠獨立作為上位機完成壓力的監測功能，嵌入式網關擁有人機交互界面，可以實時顯示壓力數據的同時，工作人員也可以發送相應的指令，控制監測系統的運行。嵌入式網關有SD卡接口和USB接口，當上位機無法與嵌入式網關正常通信時，工作人員可以直接從嵌入式網關將壓力數據導出進行分析。嵌入式網關軟件功能模塊如圖4所示。

圖4 嵌入式網關軟件功能模塊圖

當液壓支架不進行升降架動作時，嵌入式網關處于待機狀態，當接收到啟動指令后，嵌入式網關被喚醒并完成初始化工作，嵌入式網關在接收到RDP后，開始組建網絡，然后接受子節點發送的壓力數據。嵌入式網關將壓力信息一方面打包上傳至上位機，另一方面通過人機界面實時顯示出來，嵌入式網關在接收到數據后需要確認是否接收到對應液壓支架的壓力值，如果沒有正常接收，則向上位機發送警報，提醒工作人員進行排查。嵌入式網關工作流程如圖5所示。

圖5 嵌入式網關工作流程圖

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件不僅需要負責實時顯示液壓支架的壓力變化，還需要對數據進行整理、存儲和分析。因此上位機軟件按照功能可分為：實時顯示、系統管理、檔案管理、歷史數據查詢、數據導出。其中系統管理模塊負責修改、添加、刪除用戶信息；檔案管理主要負責管理壓力采集表信息的傳輸，如果在工作面修改或者刪除壓力采集表，必須通過檔案管理模塊錄入壓力采集表信息，才能夠進行實施顯示；歷史數據查詢是將壓力數據制作成相應的圖表，工作人員可根據日期進行相應的查閱。

4 結 語

液壓支架不僅是工作面的主要支護設備，也是采煤工藝中的重要一環，因此實現壓力的實時采集，即時發現、排查故障有著非常重要的意義，本文設計了基于藍牙通信的液壓支架壓力監測系統，并研究了藍牙自組網結構，在實現壓力實時監測的基礎上，解決了現有監測系統布線困難，可靠性差的問題。