采煤機無線監測系統設計

于海威

(霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司， 山西 呂梁 033102)

0 引言

在井下采煤機械設備運行狀態的監測系統中，采用無線傳感器網絡ZigBee，可避免有線監測的工業現場布線和其他弊端，安裝更加便捷靈活。通過ZigBee無線監測系統可以更加便捷、準確地了解井下采煤設備的運行狀況，在一定程度上預防了大規模機械故障的發生，提高了采煤設備的可靠性和使用率，保障了安全生產效率[1-3]。

1 采煤機械無線通信系統設計思路

監測井下采煤機械設備的無線傳感器網絡，根據現場使用條件，選用了結構簡單、網絡延遲時間短、傳輸誤差小的星型拓撲結構。一般ZigBee網絡中有3種可以進行邏輯運算的設備：協調器、終端設備及路由器。由于星型拓撲結構的各子節點間的通信傳輸都需要通過中心節點，故不存在路由器。

星型拓撲結構井下采煤機械監測系統由終端設備(機載數據采集端)和協調器構成[4-5]。協調器是星型拓撲結構下的系統中心節點，子節點是由終端設備構成。終端設備中的傳感器模塊將機械設備運行過程中采集到的溫度信號和振動信號通過無線通信模塊發送給協調器。中心節點再把數據用串口輸出給微機的監控中心，可視化查看。

2 無線監測系統設計

2.1 協調器硬件結構設計

每個ZigBee網絡都會有一個協調器作為中心節點，主要目的是建立一個新的無線網絡，其中包括為傳輸新建的網絡中的信號，選擇一個合適的通道,并給新加入網絡的子節點分配不同的網絡地址。ZigBee網絡的協調器主要有無線通信模塊、電源模塊和串口模塊的基礎硬件結構。

2.2 無線通信模塊設計

ZigBee網絡的通信模塊專用單芯片為CC2530，其通信電路如圖1所示。

圖1 單芯片CC2530通信電路

1) 無限通信最需要解決的問題就是通信的精度和穩定性。為提高精度，在該模塊中引入了部分去耦電容，用于減少電源產生的噪音及清除1.8 V電源產生的數字耦合。

2) 為保證信號同步，模塊芯片射頻電路的管腳XOSC_Q1、XOSC_Q2、Q2/P2_4、Q1/P2_3上引入了陶瓷晶振和低頻石英晶振，目的是在通信模塊上提供1個時鐘控制系統。該系統由32 MHz的時鐘源和32.8 kHz的時鐘信號構成。

3) 為保證信號的穩定傳輸，電路管腳25RF_P、26RF_P上引入了天線傳輸系統。該系統可以顯著提高信號傳輸半徑，半徑內信號的穩定性相對增強[6-7]。

3 采煤機械終端設備硬件結構設計

采煤機械終端設備的硬件結構由四個模塊構成：傳感器、無線通信、微處理器和電源。采煤機械運行狀態監測系統主要監測的是振動參數和溫度參數。振動傳感器模塊選用ADXL345加速度傳感器；溫度傳感器模塊選用DS18B20溫度傳感器。

3.1 加速度傳感器模塊設計

采煤機械在工作狀態時會產生三軸方向的應力振動，振動加速度過大會造成很嚴重的安全事故，故在設計終端感應模塊時加入了ADXL345三軸加速度計。由于檢測模塊的位置環境惡劣，空間狹小，所以采用I2C方式進行通訊。具體模塊布局如圖2所示。

振動模塊設計的重點在于減小干擾和采集有效的數據信號。首先，在管腳6和管腳1處連接了1 μF 鉭電容和100 nF的陶瓷電容，可以很大程度上將電源產生的噪音波過濾；同時，在管腳6處加入了0 Ω電阻。由于電源頻率平穩，可以在收集加速度信號時有效地抑制其噪聲。

關于采集信號方面，為了便于操作控制，在外圍電路上，與單片機連接了通信時鐘線路，包括SCL時鐘線和SDA雙向數據線。需要注意的是，在加速度傳感器模塊上，由于存在通信時鐘線路控制信號的傳輸和時鐘頻率，要求當模塊處于空閑狀態時，時鐘線SCL和雙向數據線SDA需要被上拉電阻拉高，保持著高電平狀態。因此，在管腳13和管腳14處增加了上拉電阻。

3.2 溫度傳感器模塊設計

采煤機械在工作時由于工件刀體反復接觸被采煤層，容易產生局部高溫，選擇了DS18B20溫度傳感器來進行無線溫度模塊檢測。此DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其分辨率較高，溫度轉換的時間也較其他傳感器更短。在采煤過程中，由于切削刃接觸應力和面積的關系，切屑刃表面的溫度上升很快，需要高敏的溫度傳感器進行檢測。

DS18B20數字溫度傳感器的數據接口僅有1處，數據的輸入、輸出會受到影響，從而造成失穩現象。在設計外部線路時，其DQ管腳接口的外接線路上增加了上拉電阻。具體的連接電路如圖3所示。

圖2 ADXL345外圍電路

圖3 DS18B20外圍電路

4 采煤機械監測軟件設計

采煤機械運行狀態監測系統硬件結構是網絡物質基礎，軟件設計是監測系統硬件有序運行的保障，兩者相互配合，才能更好地發揮監測系統中各模塊的作用。軟、硬件設計均采用模塊設計。根據工作方案，采煤機械運行狀態監測系統的軟件設計，主要功能是采集溫度和振動信息。

4.1 數據采集系統程序設計

采煤機械運行狀態監測系統中是由傳感器與無線通信技術構成了ZigBee無線傳感器網絡。振動和溫度等被測信號，都必須經過中心節點傳感器的采集，并且將其轉變為可用信號進行輸出。采煤機狀態監測系統中是由溫度傳感器DS18B20負責采集溫度信號，振動板載振動傳感器ADXL345采集振動信號，再轉變為數字信號傳送給協調器。

1) 溫度信號采集程序設計。溫度傳感器的信號采集程序的編寫，根據DS18B20傳感器與總線機連接情況，進行如下編制：軟件初始化——寫時序操作——讀時序操作——數據處理。采煤推進工作時每次數據的提供都不能受到前面數據的影響，因此，軟件初始復位十分關鍵。在編制程序時，我們專門在每次提供脈沖應答前均給予15～60 μs的復位時間。DS18B20與單片機的連接如圖4所示。

圖4 DS18B20與單片機的連接

2) 振動信號采集程序設計。ADXL345與處理器的通信方式已經確定，采用I2C的通信方式，其振動信號采集的程序依照I2C的信號種類及時序流程進行編寫。與溫度信號DB18B20不同，在開始信號發生后，ADXL345傳感器并不能馬上提供數據信號，需要優先提供Slave地址及數據的讀寫情況,故在編寫程序前提供10 μs的間隔，給予了ADXL345一個受理時間。另外,為保證穩定性，數據線和時鐘線在數據采集前處于高電平狀態，在程序編寫時需要在數據讀寫前后階段，提供給SDA線數據標示，用于收放通訊線路。

5 無線通信程序設計

無線通信包括終端設備的采集數據和無線發送可用信號，其無線通信程序設計也是圍繞這兩個功能。終端設備的電源模塊供電后，其微處理器模塊開始進行初始化，接著無線通信模塊在區域中搜索并申請加入無線網絡，并綁定此無線網絡的協調器。傳感器模塊采集振動和溫度數據，周期性地將采集到的信息以數字信號的形式，通過終端設備的無線模塊無線傳輸給協調器。

終端監測設備發送數據的方式和中心協調器節點接收數據的方式相呼應，都有兩種方式：第一種是主動方式，終端監測設備向協調器定時、周期性地輸出數據；第二種是被動方式，當接收到協調器下達的命令之后，終端傳感器才發送被索要數據。本文為了降低Zig Bee網絡系統的能耗，選擇由終端設備主動發送數據給中心節點協調器。

6 結論

本文設計的采煤機械運行狀態監測系統是運用ZigBee無線傳感器網絡，通過監測分析機械運行過程中的振動、溫度參數，及時發現機械運行的異常情況。研究了ZigBee網絡體系結構，在星型拓撲結構下，根據實際運用，設計了ZigBee網絡中協調器和終端設備的硬件平臺和配套的軟件程序。從終端數據采集到發送給協調器進行分析，再輸出可視，實現了對井下機械設備運行狀態的實時監測。