基于ZigBee的采煤機監(jiān)測系統(tǒng)的設計

崔 妮 ，關(guān)詠梅 ，郭 濤 ，張亮紅

（1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

我國煤礦生產(chǎn)中采煤設備的機械化程度較高（達75%），但受強振動、高沖擊等惡劣工作環(huán)境影響，設備的機械旋轉(zhuǎn)部件極易出現(xiàn)軸向?qū)ξ徊粶?、?gòu)件斷裂等故障，導致事故的發(fā)生（千萬噸礦井停產(chǎn)一天經(jīng)濟損失約1500萬），故及時準確地檢測對安全高效生產(chǎn)意義重大[1]。但重型采煤機是旋轉(zhuǎn)機械，空間受限無法引線。因此本文采用無線傳感網(wǎng)絡方式來解決旋轉(zhuǎn)類機械的智能監(jiān)測問題。

無線傳感器網(wǎng)絡能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)各種監(jiān)控對象的信息，并將這些采集信息傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，從而實現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)目標監(jiān)測、跟蹤和遠程控制。ZigBee是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡應用的一種重要技術(shù)，具有高可靠性、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率等[2]特點，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本原理

本文設計了一個可在地下礦井對重型采煤機的工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，對采煤機旋轉(zhuǎn)部件的主要故障“溫度和振動異?！弊鳛闄z測對象，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點。終端節(jié)點由傳感器模塊及其信息采集器組成，信息采集器又包括傳感器信號采集、信號調(diào)理模塊、ZigBee無線傳輸模塊、電源管理模塊等。終端設備可實現(xiàn)溫度和振動信號的采集，并通過ZigBee無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)。服務器是監(jiān)測及故障警報中心，實現(xiàn)對所采集數(shù)據(jù)的接收、顯示、存儲、歷史查詢、故障警報等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

2 硬件設計與實現(xiàn)

2.1 振動采集模塊

振動傳感器選用Colibrys公司生產(chǎn)的VS9000.D系列加速度計VS9050。VS9050是一個電容式MEMS加速度計，該產(chǎn)品是一個低功耗、校準的、耐用的和性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。這種可變電容傳感器可專門用來提供大的帶寬0～250 Hz，它的工作電壓為DC 5 V，靈敏度為 1000 mV/g，非線性度<0.8%，分辨率<0.1 mg，完全滿足本系統(tǒng)設計要求。

2.1.1 濾波電路設計

傳感器輸出信號在采集和傳輸中必然會受到各種噪聲干擾，使其質(zhì)量下降，因此首先對信號進行低通濾波。巴特沃思濾波器在通帶內(nèi)的頻率響應曲線最大限度平坦、沒有起伏[3]，因此選用八階巴特沃思濾波器芯片MAX291對輸出信號濾波，它是低通開關(guān)電容濾波器。濾波電路原理如圖2所示。

圖2 濾波電路Fig.2 Filter circuit

采煤機振動信號頻率為0～2 kHz，截止頻率取決于時鐘的頻率，本系列電路只需外接一個電容器，內(nèi)部時鐘振蕩電路就能開始工作，而無需再從外部引入時鐘信號。Cosc用來調(diào)整截止頻率，計算公式為

其中：fclock為時鐘頻率；fc為濾波器截止頻率。對于 MAX291，K=100。經(jīng)過計算與實際電路調(diào)試，確定Cosc的容值為150 pF。

2.1.2 信號調(diào)理電路

由于CC2530F256內(nèi)部A/D采集的量程范圍為0～+1.25 V。而振動傳感器輸出為-2 V～+2 V，因此，傳感器輸出信號需通過零位提升、分壓等調(diào)理電路來處理。

傳感器的輸出范圍是-2 V～2 V，首先利用同相輸入加法運算給運放的正輸入端提供一個2 V的基準電壓REC，這樣輸出電壓就被調(diào)到0～4 V，再用一個簡單的分壓電路，得到輸出電壓0～1 V。

2.2 溫度采集模塊

溫度信號采集選用Pt100型鉑熱電阻（RTD）。金屬鉑Pt的阻值隨溫度而變化，并具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。采用RTD檢測溫度時必須考慮2個問題：線路電阻對測量精度的影響和RTD電阻的非線性。采用美國BB公司生產(chǎn)的XTR105芯片組成的溫度-電流變送器可提升系統(tǒng)的精度和線性度。因此在本設計中沒有選擇傳統(tǒng)的溫度-電壓信號測量系統(tǒng)，而是選用了溫度-電流檢測系統(tǒng)。

信號調(diào)理原理為在溫度傳感器RTD輸出端接一個溫度-電流變送器XTR105，把RTD阻值隨溫度的變化量轉(zhuǎn)換成電流信號，通過電纜傳送至儀器中的取樣電路。輸出電流IO經(jīng)取樣電阻RL變?yōu)殡妷盒盘柟┎蓸邮褂肹4]。信號采集原理如圖3所示。

圖3 溫度信號采集電路Fig.3 Temperature signal acquisition circuit

XTR105為模擬電流型輸出，輸出4～20mA，在其輸出端接一個‰精度的取樣電阻RL，將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號供采樣使用。實際調(diào)試時RL取150Ω，此時輸出電壓為+0.6 V～+3 V。因為CC2530F256內(nèi)部A/D采集的量程范圍為0～+1.25 V。在信號調(diào)理電路中運放芯片選用儀表運放AD623，在差分運放AD623的負向輸入端輸入+0.6 V的直流電壓，這樣就可降低電壓，使得電壓范圍變成0～+2.4 V。為了得到0～+1.25 V，再利用一個簡單的分壓電路就可使輸出電壓為0～+1.2 V。溫度信號調(diào)理電路如圖4所示。D8為限幅二極管，可將AD623的輸出電壓限制在5.6 V以下，防止輸出電壓過大損壞后續(xù)元件。

2.3 ZigBee無線傳輸模塊接口設計

整個系統(tǒng)的核心是無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，它主要由CC2530及少量外圍電路組成。其中CC2530結(jié)合RF收發(fā)器、8051微處理器、8 KB的 RAM，32/64/128/256 KB內(nèi)存，其內(nèi)部已繼承了實 時 時 鐘 、ADC、USART等電路，因此只需增加少量的外圍電路就可滿足系統(tǒng)的無線通信需求。CC2530核心板采用TI公司的CC2530F256芯片，集成了CC2530芯片正常工作時所有的外部電路，包括SMA接口用以連接2.4 G天線。引腳22和引腳23接32 MHz晶振，引腳32和引腳33接32.768 kHz時鐘晶振。CC2530模塊電路圖如圖5所示。

圖4 溫度信號調(diào)理電路Fig.4 Temperature signal conditioning circuit

圖5 CC2530模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of CC2530 module

2.4 電源管理模塊

電源模塊用于給各個節(jié)點供電，由于數(shù)據(jù)采集模塊為無線傳輸，傳感器節(jié)點所安置的地點一般不宜經(jīng)常更換電池，因此要盡可能采用低功耗設計方案，延長電池的使用時間，從而延長整個無線網(wǎng)絡的生命周期。該系統(tǒng)的CC2530F256芯片可采用3.3 V供電，振動傳感器和一些電路調(diào)理芯片MAX293、AD623等都需5 V供電，而溫度傳感器的工作電壓為12 V，因此外接12 V防爆電池，采用HT7550芯片將12 V轉(zhuǎn)換為5 V，再通過HT7533電壓調(diào)節(jié)芯片將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V。硬件電路還包括一些按鍵、LED、復位、電源指示燈及JTAG接口等電路設計。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要是ZigBee片上系統(tǒng)CC2530F256的程序設計和上位機的軟件設計。

3.1 ZigBee模塊軟件設計

CC2530F256的軟件設計使用的開發(fā)環(huán)境為IAR-EW8051，采用了官方的ZigBee協(xié)議棧ZStack2.3.1，主要實現(xiàn)了系統(tǒng)初始化、ZigBee網(wǎng)絡搜索機網(wǎng)絡加入、數(shù)據(jù)的無線收發(fā)等功能。一個Zig-Bee網(wǎng)絡中通常包含了一個協(xié)調(diào)器和若干個路由器和終端節(jié)點。

3.1.1 協(xié)調(diào)器軟件設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點在網(wǎng)絡中有著非常重要的作用，它往往是整個網(wǎng)絡中的首臺設備，其主要功能是選擇信道并啟動建立網(wǎng)絡、確定網(wǎng)絡中唯一的PAN地址并廣播建立網(wǎng)絡的信號以及與上位機實現(xiàn)通信。協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)流程圖Fig.6 Flow chart of coordinate node

3.1.2 終端節(jié)點軟件設計

終端設備即傳感器節(jié)點的功能就是將傳感器采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，并接收協(xié)調(diào)器的命令數(shù)據(jù)?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器軟件，主要包括主程序模塊、按鍵輸入模塊、振動測量模塊、溫度測量模塊和ZigBee無線通信模塊等。傳感器節(jié)點的流程如圖7所示。

圖7 傳感器主程序流程圖Fig.7 Flow chart of main program for sensor

3.2 上位機軟件設計

在Microsoft Visual C++6.0環(huán)境下，利用微軟基礎類庫MFC完成上位機監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計，實現(xiàn)了對采煤機監(jiān)測系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲以及曲線的繪制等功能。狀態(tài)檢測主界面如圖8所示，主要包括電流監(jiān)測和振動監(jiān)測，可用曲線的方式實時顯示數(shù)據(jù)的變化情況。參數(shù)設定控制按鈕是串口設置包括波特率等參數(shù)的設置。

圖8 采煤機監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件Fig.8 Software of coal shearer monitoring system

根據(jù)采煤機的實際需要設定報警溫度和振動頻率，當溫度和振動頻率超過設定的閾值時，報警按鈕燈就會變紅，同時報警系統(tǒng)發(fā)出警報聲。

4 結(jié)語

通過軟硬結(jié)合的方式設計了一種煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對井下采煤機振動信號及環(huán)境溫度進行采集、存儲和傳輸?；贑C2530的ZigBee網(wǎng)絡接口滿足礦井物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸及組網(wǎng)功能，已成功應用于某礦井安全生產(chǎn)。另外此系統(tǒng)對網(wǎng)絡在其他方面的應用及研究也有很好的借鑒作用[5]。

[1]馬銳，陳光建，賈金玲，等.基于ZigBee和GPRS的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].自動化與儀表，2014，29（10）：33-36.

[2]劉任慶，劉莉娜.基于Zigbee技術(shù)的工業(yè)無線溫度變送器的設計和實現(xiàn)[J].科學技術(shù)與工程，2009，42（6）：188-190.

[3]朱琎，楊占勇.基于CC2530的無線振動監(jiān)測傳感器節(jié)點設計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（8）：56-58.

[4]卜樂平，夏立.XTR105變送器在溫度檢測系統(tǒng)中的應用[J].國外電子元器件，1999（1）：36-37.

[5]李學哲，張有東，封孝輝，等.基于Zigbee技術(shù)的巷道表面位移檢測傳感器設計[J].測控技術(shù)與儀器儀表，2013，39（12）：96-98.