基于MSP430和ZigBee的煤礦液壓支架壓力監測系統設計

任彥峰

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

液壓支架是煤礦綜采面重要的支護設備，可有效防止煤礦碎塊掉落威脅到人身設備安全，對煤礦的安全生產具有非常重要的作用。目前采用的液壓支架壓力監測系統大多采用PLC控制器配合有線數據傳輸方式進行監測，存在占用空間大、有線布線復雜、數據傳輸不穩定等問題，電纜線很有可能隨著液壓支架落架、移架等操作破損斷裂，從而導致監測系統的中斷，工作人員將無法實時了解液壓支架的動態壓力變化，存在很大的安全隱患[1-2]。

因此，依托MSP430單片機和ZigBee無線傳感網絡技術設計了一套液壓支架微型監測系統并展開分析。

1 監測系統無線數據傳輸架構方案

圖1所示為基于ZigBee無線傳感網絡的液壓支架壓力監測系統數據傳輸架構框圖。

圖1 監測系統數據傳輸架構方案

該監測系統由以下部分組成：遠程監控中心、光纖以太環網、CAN總線轉以太環網模塊、壓力采集節點、路由器節點、協調器節點等。其中，壓力采集節點、路由器節點、協調器節點共同組成ZigBee無線傳感網絡，替代原有的井下有線傳輸網絡，由壓力采集節點采集液壓支架的壓力信息，匯聚融合傳給路由器節點，再由路由器節點上傳給協調器節點，通過光纖以太環網遠程傳輸給地面的控制中心，同時控制中心也可通過同樣的通道下達控制指令，實現信息的上傳下達；CAN總線轉以太環網模塊負責將在協調器節點和光纖以太環網設備之間進行數據轉換。

2 硬件部分結構方案設計

2.1 壓力采集節點方案設計

圖2所示為壓力采集節點的硬件結構框圖。壓力采集節點由MSP430單片機、壓力傳感器、信號調制電路、ZigBee模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、聲光報警裝置、供電模塊等組成。其中，MSP430單片機是核心處理器；壓力傳感器負責檢測液壓支架各個位置的壓力信號，信號調制電路負責將壓力信號轉換為單片機可接收的電信號；ZigBee模塊負責與路由器節點進行無線數據傳輸；供電模塊通過不同的穩壓芯片分別為壓力傳感器、信號調制電路、ZigBee模塊供電；聲光報警裝置負責超限預警；液晶顯示模塊負責顯示壓力數據；鍵盤輸入模塊負責參數設定。

圖2 壓力采集點硬件方案框圖

壓力傳感器選用SLM211硅壓阻式壓力傳感器，為減小溫度對測量精度的影響，采用恒流源對傳感器進行供電；MSP430單片機具體型號選用MSP430F5438單片機，該型號單片機體積小、功耗低、擴展性強，可以擴展ZigBee等功能模塊[3]。

2.2 信號調制電路設計

壓力傳感器SLM211量程為0～30 mV左右，數據信號微弱，單片機MSP430無法識別，因此必須通過信號調制電路將傳感器輸出的電壓信號放大才能上傳給單片機進行處理。為此，本文專門設計了信號調制電路，選用的運算放大器為AD620，供電電壓為±2.3～±18 V，該運算放大器體積小、功耗低、精度高、噪聲低，通過一個外部電阻就能設定1～1 000倍的放大系數。信號調制電路如圖3所示。

圖3 信號調制電路設計

2.3 ZigBee無線通信方案設計

ZigBee無線傳感網絡由壓力采集節點、路由器節點、協調器節點共同組成。考慮礦井工作環境各方面因素，綜合考慮開發成本、功耗、硬件設計復雜度，三者皆采用無線通訊模塊CC2530[4]。

路由器節點主要是用于匯聚壓力采集節點的數據，同時延長數據傳輸距離，由供電模塊和CC2530模塊組成。供電模塊采用了穩壓芯片REG1117-3.3，將5 V電壓轉換為3.3 V電壓進行供電。路由器節點的硬件框圖如圖4所示。

圖4 路由器節點硬件框圖

協調器節點由隔爆型本安電源、電壓轉換電路、CC2530模塊、報警電路、液晶顯示屏、CAN總線通信電路組成，主要負責ZigBee無線網絡的數據匯聚融合、ZigBee無線網絡與光纖以太環網的數據轉換、數據的接收、報警、顯示等功能。圖5所示為協調器節點的硬件框圖。

圖5 協調器節點硬件框圖

2.4 CAN總線通信電路設計

CAN總線通信電路用于ZigBee網絡協調器節點與光纖以太環網進行數據傳輸，是數據傳輸的橋梁。本系統設計的CAN總線通信電路圖如圖6所示。通信電路由CAN控制器MCP2515和CAN收發器CTM1050T構成，通過這兩個模塊互相配合，大幅提高了CAN通信電路的抗電磁輻射、干擾能力。

圖6 CAN總線通信電路設計

MCP2515模塊與CC2530模塊之間采用串行外設接口SPI進行數據傳輸，其中，CC2530模塊作SPI主控制器，MCP2515模塊作SPI從控制器，通過這種傳輸方式，不僅提高了數據通信的速率、可靠性，也減少了對CC2530模塊I/O的使用。

3 系統軟件方案設計

軟件程序設計過程中，包含三部分內容：壓力采集節點程序、路由器節點程序、協調器節點程序。對于壓力采集節點程序設計采用模塊化的設計思想，由主程序實行調用子程序，程序模塊包括主程序、ZigBee通信子程序、壓力信號轉換子程序、鍵盤輸入子程序、報警子程序、液晶顯示子程序等。

對于壓力采集節點、路由器節點、協調器節點中CC2530應用程序的開發，系統統一采用ZigBee2007協議棧在IAR軟件平臺上進行開發。編程語言使用C、C配合匯編語言編寫程序并進行編譯、調試[5]。下頁圖7所示為MSP430單片機主程序流程框圖。

圖7 壓力采集節點主程序流程框圖

下頁圖8所示為壓力采集節點中CC2530模塊的程序流程框圖。

圖8 壓力采集節點CC2530程序流程框圖

4 實際應用效果分析與總結

目前，該監測系統已完成調試，并在礦井現場實施安裝和投入使用。經投入運行一年來，效果表明：監測系統的整體性能均可滿足設計要求，設備功耗低，數據傳輸穩定性高，尤其是設備在安裝過程中，無線方式節省了大量人力、物力和空間，突顯出了很大的優勢。該系統可對0～60 MPa的壓力值進行測試，為了進一步體現系統的可靠性和優越性，將礦井現場實際采集到的液晶顯示屏上的壓力值與上位機上顯示的壓力值進行對比，結果見表1。

表1 礦井壓力實際采集值與上位機顯示值對比

通過數據對比可以發現，兩者得到的壓力值誤差小于1%，表明該無線監測系統可以實時、準確地監測井下液壓支架壓力數值的變化。

5 結論

基于MSP430微型控制技術和ZigBee無線通信技術設計了一套可通過無線傳感網絡進行液壓支架壓力監測的系統，不僅可以避免有線傳輸方式存在的電纜易破損、占用空間大的問題，而且安裝方便，提高了系統監測、傳輸數據的可靠性，降低了監測誤差，以及系統的運行功耗，提高了系統的應用壽命，廣泛應用于對礦井液壓支架壓力的監測中。