礦用膠帶機過程監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡研究設計

周建中，王 雷，徐軍霞，顧寄南，楊 治，謝娟娟

(1.鎮(zhèn)江中煤電子有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

(2.江蘇大學機械學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

在煤礦和水泥等行業(yè)的運輸系統(tǒng)中，長距離帶式輸送機占據(jù)著很重要的地位。長距離帶式輸送機通常帶有中間驅(qū)動的電氣設備及保護傳感器，比較分散且相距較遠。為保證輸送機可靠運行，關鍵要解決膠帶機各保護設備之間的數(shù)據(jù)交換和傳輸問題。目前我國普遍采用的礦山環(huán)境檢測系統(tǒng)都是以工業(yè)總線為基礎，這些線路都要由專業(yè)人員建立和維護。這些監(jiān)控系統(tǒng)的不足之處:線通信方式布線復雜，網(wǎng)絡結(jié)構相對固定，不適合動態(tài)變化的要求;檢測參數(shù)單一，不能滿足實際需求;長距離通訊使得信號衰減嚴重。這些問題使有線控制網(wǎng)絡越來越不適應礦山檢測和控制領域。近年來無線通信技術得到了迅速的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡也正迅速地發(fā)展并逐漸走向成熟。本文以礦用帶式輸送機為例，介紹了基于Zigbee技術的礦用皮帶機監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)了井下皮帶機生產(chǎn)信息的無線通信。

1 系統(tǒng)概述

無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。主要包括Zigbee檢測節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點、Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器3個部分。在系統(tǒng)中每個Zigbee檢測節(jié)點不僅負責采集皮帶機的生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)，還負責轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)通過射頻收發(fā)模塊發(fā)送給相應的Zigbee路由節(jié)點，Zigbee路由節(jié)點經(jīng)過多跳的方式將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器上配置工業(yè)以太網(wǎng)卡，對所發(fā)送來的節(jié)點數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信并將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和遠程監(jiān)控。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)總體結(jié)構圖

系統(tǒng)中各個Zigbee 檢測節(jié)點之間通信距離比較短并且是完全的對等通信，每個Zigbee檢測節(jié)點都要求與其無線范圍內(nèi)的其他節(jié)點通信[1]。因此，基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構，在這種結(jié)構中，系統(tǒng)可以按照需求動態(tài)變化，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展和優(yōu)化，在網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡中，每個路由節(jié)點都具有重新路由選擇的能力，這樣可以防止某個中間節(jié)點由于中斷而造成網(wǎng)絡癱瘓的情況，有很強的可靠性和環(huán)境適應能力。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 硬件總體設計

2.1.1 Zigbee檢測節(jié)點的整體架構

應用于膠帶機過程監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡由許多功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。Zigbee檢測節(jié)點是由處理器、外部數(shù)據(jù)存儲模塊、射頻收發(fā)模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成，其內(nèi)部連接關系如圖2所示。通常數(shù)據(jù)采集節(jié)點的布置方式、定位方法、通信手段往往是相同的，那么造成節(jié)點的感知能力的差異，也只有節(jié)點連接了不同類型的傳感器或數(shù)據(jù)采集設備這一因素了[2]。

皮帶機檢測系統(tǒng)節(jié)點的射頻收發(fā)模塊采用的是ChipconCC2430無線射頻芯片，該芯片的低速率以及低功耗等特性特別適用于本系統(tǒng)，以上兩種芯片通過SPI總線相連接，MAC層負責協(xié)議棧運行，RF射頻收發(fā)模塊負責無線通信。

圖2 Zigbee檢測節(jié)點內(nèi)部結(jié)構圖

2.1.2 Zigbee路由節(jié)點的整體架構

皮帶機過程保護監(jiān)控系統(tǒng)中的Zigbee網(wǎng)絡路由節(jié)點是由微處理器TMS320LF2406A、外部數(shù)據(jù)存儲模塊、射頻收發(fā)模塊、電源模塊組成，其內(nèi)部連接關系如圖3所示。

圖3 Zigbee路由節(jié)點內(nèi)部結(jié)構圖

2.1.3 Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的整體架構

Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)中的重要組成部分，一方面，它接受無線收發(fā)模塊的信號，與系統(tǒng)中其他終端檢測節(jié)點構成內(nèi)部網(wǎng)絡[3];另一方面通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)外部通信，擔任著井下內(nèi)網(wǎng)與井上外網(wǎng)之間協(xié)議轉(zhuǎn)化的角色。

皮帶機網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器部分的DSP微處理器芯片采用的是TI公司的TMS320LF2406A，該芯片具有10個A/D轉(zhuǎn)換器，保證了同時可以檢測多路信號以及SPI總線用于和射頻收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)傳輸，且具有低功耗的工作模式[4]。節(jié)點的射頻收發(fā)模塊采用的是ChipconCC2430無線射頻芯片。以上兩種芯片通過SPI總線相連接，DSP負責協(xié)議棧運行，射頻收發(fā)模塊負責無線通信。本系統(tǒng)的獨創(chuàng)之處包括:利用DSP芯片特殊的尋址方式和匯編指令用于數(shù)字信號處理，進一步減少了數(shù)字信號處理的時間。

Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的結(jié)構如圖4所示，外接一個CC2430無線射頻收發(fā)模塊和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)卡，實現(xiàn)對檢測節(jié)點的控制。

圖4 Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的結(jié)構圖

2.2 部分外圍電路設計

膠帶機過程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器采用DSP微處理器芯片TMS320LF2406A，其內(nèi)部不具備以太網(wǎng)接口，需要加網(wǎng)卡和芯片來擴展網(wǎng)絡接口，這里選用CS8900A網(wǎng)卡。為便于硬件的連接，這里選用CS8900A的I/O工作模式。以太網(wǎng)接口電路框圖如圖5所示，以太網(wǎng)與CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接。

圖5 以太網(wǎng)接口電路框圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

根據(jù)以上網(wǎng)絡的總體方案，利用數(shù)據(jù)采集模塊和Zigbee協(xié)議棧建立一個網(wǎng)絡無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，如圖6所示。首先實現(xiàn)網(wǎng)絡的建立，然后從設備加入網(wǎng)絡和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器接受設備這兩方面對檢測節(jié)點實現(xiàn)入網(wǎng)，最后給出了網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和Zigbee檢測節(jié)點的程序流程，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊和Zigbee協(xié)議棧建立一個網(wǎng)絡無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡流程圖

4 結(jié)束語

本文結(jié)合計算機控制技術、監(jiān)控技術、故障檢測技術、通信技術，開發(fā)了一種無線的皮帶機過程監(jiān)控系統(tǒng)，解決了當前煤礦膠帶機監(jiān)控系統(tǒng)中，有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率低、成本高、布線困難、不便于拓展的不足，提高監(jiān)控系統(tǒng)的準確性、實時性和可靠性。同時，該研究成果具有重要的研究意義和良好的應用前景，對其他企業(yè)也有良好的參考價值。

圖7 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和Zigbee檢測節(jié)點的程序總體流程圖

[1] 胡陽軍.Zigbee無線組網(wǎng)技術的研究和實現(xiàn)[D].長春:東北電力大學，2008.

[2] 李仁.無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的研究與設計[D].武漢:武漢紡織大學，2010.

[3] 劉洋.基于Zigbee技術的礦用無線傳感器網(wǎng)絡研究[D].太原:太原理工大學，2010.

[4] 楊利亞.基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡在智能家居系統(tǒng)中的應用[D].杭州:浙江工業(yè)大學，2010.