金屬礦井無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計

何學文 孫 汗 曹清梅

(江西理工大學機電工程學院，江西 贛州 341000)

·機電與自動化·

金屬礦井無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計

何學文 孫 汗 曹清梅

(江西理工大學機電工程學院，江西 贛州 341000)

針對目前金屬礦井溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中存在的線纜布線復雜、成本高、靈活性差、容易出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)等問題，設計了一種無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)各個節(jié)點以CC2530為核心，終端溫濕度采集節(jié)點通過溫濕度傳感器SHT10采集金屬礦井溫濕度數據，然后將數據通過終端節(jié)點采用無線的方式發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對數據處理后通過串口把溫濕度值傳遞到監(jiān)控中心的上位機。采用LabVIEW對上位機的監(jiān)控軟件進行開發(fā)，人機交互界面友好。該系統(tǒng)實現(xiàn)了金屬礦井溫濕度的自動采集、處理、顯示、存儲以及異常情況的自動報警等功能，最終實現(xiàn)對金屬礦井溫濕度的實時監(jiān)控。實驗結果表明：該系統(tǒng)具有數據采集靈敏、可靠性高、成本低、布置靈活、維護方便等優(yōu)點，解決了現(xiàn)有金屬礦井溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。

金屬礦井 ZigBee 溫濕度 LabVIEW

隨著科學技術日新月異的發(fā)展，金屬礦井智能化管理得到人們越來越多的關注。在金屬礦井這種特殊的環(huán)境下，若要實現(xiàn)高效的智能化管理則需要更先進的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，而其中對金屬礦井內溫濕度的監(jiān)控是很重要的一個方面，在金屬礦井生產的每一個環(huán)節(jié)都需要合適的溫濕度環(huán)境，來提高生產力。

目前金屬礦井溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)大多數是通過有線通信方式建立的，有線通信存在布線復雜、維護不方便、監(jiān)測點相對固定、不夠靈活、成本高等問題，不能很好地滿足礦井智能化管理的需求，而基于Zig Bee的無線傳輸設備具有高性能、低功耗、短距離、維護簡單等優(yōu)點，其在金屬礦井環(huán)境中的實用性能要明顯優(yōu)于現(xiàn)有的有線或其他無線通信技術。鑒于此，本研究采用基于ZigBee的無線傳感器網絡技術，針對金屬礦井生產的實際情況，設計一種金屬礦井無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體構架設計

本系統(tǒng)由溫濕度傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、監(jiān)控中心組成，其具體結構如圖1所示。大量ZigBee溫濕度傳感器節(jié)點部署在金屬礦井重點監(jiān)測區(qū)域，節(jié)點通過自組織方式構成無線傳感器網絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測到礦井溫濕度數據，然后通過多徑傳輸路由到無線傳感器網絡的匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點對數據進行分析、融合以及協(xié)議轉換和重新封裝處理后，通過串口(RS232)將數據發(fā)送到監(jiān)控中心，用戶可以通過監(jiān)控中心管理平臺上的系統(tǒng)軟件對發(fā)送來的數據進行分析、處理、存儲、顯示并判斷溫濕度是否超過預警值，如果超過報警值，系統(tǒng)自動語音報警，并與金屬礦井巷道內風機、水泵聯(lián)動。

圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 Block diagram of system structure

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點主要任務是完成金屬礦井重點監(jiān)測區(qū)域溫濕度的數據采集，其結構如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結構Fig.2 Hardware structure of sensor node

由圖2可以看出，傳感器節(jié)點主要由SHT10溫濕度傳感器、CC2530 Zig Bee無線收發(fā)模塊以及電源模塊組成。通過SHT10采集金屬礦井監(jiān)測區(qū)域內的溫濕度數據，經CC2530處理后通過2.4 G天線發(fā)送出去；相反，天線收到控制指令以后交給CC2530芯片，由其做出相應的操作。SHT10是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器，該傳感器全量程標定，2位輸出；它具有體積小、精度高、接口簡單、構成系統(tǒng)成本低等優(yōu)點。其主要性能參數有：工作電壓為2.4～5.5 V；濕度測量范圍為0 ～100%，測量精度為±4.5%；溫度測量范圍-40～+123.8 ℃，測量精度為±0.5 ℃[1]。CC2530是用于2.4 GHz、IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強型8051CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM等功能，與CC2430相比，CC2530在發(fā)射功率、低功耗、鏈路預算、射頻噪聲抑制能力等方面都有較大的提高[2-3]。該部分的電源模塊采用5 V鋰電池供電，通過AMS1117_3.3芯片可為系統(tǒng)各部分提供3.3 V的直流電壓，鋰電池供電可持續(xù)使用6個月到2 a。SHT10與CC2530接口電路如圖3所示，電源模塊電路如圖4所示。

圖3 SHT10與CC2530連接圖Fig.3 The connection diagram of SHT10 and CC2530

圖4 電源電路Fig.4 Power circuit

2.2 匯聚節(jié)點硬件結構

匯聚節(jié)點處于溫濕度傳感器節(jié)點的上層，其主要功能是完成網絡的維護、數據上傳、命令下達、協(xié)議轉換、網絡監(jiān)測與管理等功能，具體結構如圖5所示。

圖5 匯聚節(jié)點框圖Fig.5 Block diagram of Sink node

匯聚節(jié)點采用CC2530F256芯片，該芯片適用于2.4 GHz的射頻收發(fā)，采用倒F天線，具有256 kB可編程閃存，內含增強型低功耗8051微控制器內核和一些常用外設，只需極少的外圍器件就能保證芯片的正常工作，并提供不同低功耗供電模式，支持最新的ZigBee2007/Pro協(xié)議棧，帶有2個USART接口。時鐘電路采用32 MHz和32.768 kHz雙石英諧振器模式，分別可使芯片工作在高速處理模式和低功耗的休眠模式，以此控制芯片的能耗。采用MAX3232對RS232電平和TTL電平進行轉換，將收集的溫濕度數據通過串口上傳到監(jiān)測中心[4-5]。考慮到匯聚節(jié)點的功耗較大，該部分電源供電可采用容量較大的鋰電池供電，如2 000 mA的鋰電池提供3.6 V供電，該電池可反復智能充電，解決了使用一般干性電池需要經常更換的問題。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括傳感器節(jié)點軟件設計、匯聚節(jié)點應用程序設計、監(jiān)控中心軟件設計3個部分。

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點的主要任務是進行網絡加入、數據采集和發(fā)送、保持與鄰近節(jié)點間的通信、檢測鏈路工作狀態(tài)、路由功能等。由于傳感器節(jié)點采用電池供電，考慮到電池壽命和能耗，利用定時采集數據的方式，在傳感器節(jié)點設置斷點，間歇性采集數據，并把數據封裝為一定的數據包格式發(fā)送出去，每完成一次數據采集和發(fā)送數據后進入一段低功耗的休眠狀態(tài)，直到下次中斷到來喚醒傳感器節(jié)點的休眠狀態(tài)，然后傳感器節(jié)點重新進入工作狀態(tài)。傳感器節(jié)點軟件設計流程如圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點設計流程Fig.6 The design flow chart of sensor node

3.2 匯聚節(jié)點軟件設計

匯聚節(jié)點軟件的主要任務是組建與維護一個Zig Bee網絡，并初始化監(jiān)控計算機的IP地址和端口號且主動連接監(jiān)控計算機，接收網絡中所有節(jié)點發(fā)出的網絡狀態(tài)信息包，為有入網請求的傳感器節(jié)點分配地址，并接收分析傳感器節(jié)點傳送的數據包后，通過串口(RS232)發(fā)送到監(jiān)控計算機。此外，匯聚節(jié)點利用串口(RS232)接收監(jiān)控計算機發(fā)出的指令并將指令傳送到無線傳感器網絡中的指定傳感器節(jié)點，并采取相應的處理。匯聚節(jié)點軟件設計流程如圖7所示。

圖7 匯聚節(jié)點設計流程Fig.7 The design flow chart of Sink node

3.3 監(jiān)控平臺軟件設計

管理中心監(jiān)控平臺軟件采用LabVIEW進行開發(fā)，LabVIEW是NI公司開發(fā)的圖形化編程開發(fā)平臺，具有強大的實時數據處理與顯示、存儲和控制等功能，人機接口界面采用圖標創(chuàng)建，易于創(chuàng)建友好的人機交互界面[6]。系統(tǒng)的監(jiān)控平臺軟件主要包括用戶管理模塊、數據顯示模塊、超限告警模塊、串口通信模塊、數據存儲模塊、數據庫訪問模塊。

本系統(tǒng)可以通過設計的軟件界面查詢到金屬礦井巷道中任何一個傳感器節(jié)點的位置以及實時溫濕度數值和存儲的歷史數據，并且軟件會自動對實時顯示的傳感器節(jié)點的溫濕度值與系統(tǒng)預設的溫濕度參數值進行比對，如果超過預設的溫濕度值，則系統(tǒng)會報警并語音提醒管理者，同時發(fā)出信號對聯(lián)動設備進行控制。此外，該系統(tǒng)采用LabVIEW中提供的DataSocket的數據傳輸方式，實現(xiàn)用戶的Internet網絡遠程訪問，采用Microsoft Ado及SQL語言的NI公司免費的多數據、跨平臺的LabSQL工具包來完成對數據庫的訪問。

4 實驗與結果分析

將按上述方案設計的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)與深圳華圖S590-TH數字式溫濕度計進行對比實驗。在0～125 ℃選取3個傳感器節(jié)點進行實驗。2013年10月27日，在實驗室環(huán)境下從上午10：20到晚上20:20點，每隔1 h記錄采集到的溫濕度值，得到測試數據如表1所示。

表1 測試數據Table 1 Test data

從表1中可以看出，溫濕度數值、溫濕度誤差均在正常測量和控制誤差允許范圍之內。測試結果表明：該系統(tǒng)在無線傳輸上穩(wěn)定可靠，能夠成功采集監(jiān)測區(qū)域內的溫濕度數據，相比傳統(tǒng)的溫濕度計，該系統(tǒng)具有數據采集靈敏、可靠性高等優(yōu)點。

5 結 論

本研究以CC2530芯片與SHT10溫濕度傳感器為核心構建一個金屬礦井無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有通信可靠性、功耗低，擴展性強、組網快、通信靈活、安裝方便等優(yōu)點，能夠有效解決現(xiàn)有金屬礦井溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中存在的線纜布線復雜、靈活性差、容易出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)等問題。同時，LabVIEW的引入提供了便捷的人機交互界面，系統(tǒng)可以方便地應用于金屬礦井巷道中，該系統(tǒng)還可以推廣到其他需要溫濕度監(jiān)測的場合。

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(責任編輯 徐志宏)

Design on Wireless Temperature and Humidity Monitoring System of Metal Mine

He Xuewen Sun Han Cao Qingmei

(MechanicalandElectricalEngineeringCollege，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China)

Aimed at the present disadvantages about temperature and humidity monitoring system of metal mine，such as complex cable wiring，high cost，poor flexibility，prone to blind area monitoring and so on，a wireless temperature and humidity monitoring system is designed.The system nodes revolve around CC2530，end nodes sense the temperature and humidity of metal mine by temperature and humidity sensor SHT10，then，data is sent to sink node from end nodes by the way of wireless.Sink node sends processed data to the monitoring center of the upper machine by a serial port.The system uses LabVIEW as PC monitoring software development with friendly human-computer interaction interface，which realizes automatic data collection，processing，display，storage，abnormal situation of automatic alarm and so on，the final implementation of real-time monitoring of temperature and humidity in mental mine.The experimental results show that the system has some advantages，such as high reliability，low cost，flexible layout，convenient maintenance and so on，solving the existing problems in temperature and humidity monitoring system of metal mine.

Metal mine，ZigBee，Temperature and humidity，LabVIEW

2013-12-09

國家自然科學基金項目(編號：61163063，50764005)，江西省教育廳科技項目(編號：GJJ12329，GJJ12353)。

何學文(1971—)，男，教授。

TD77+2

A

1001-1250(2014)-03-116-04