基于ZigBee的無線頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 磊，王曉榮，王希林，陳 燕

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

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基于ZigBee的無線頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張 磊，王曉榮，王希林，陳 燕

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

針對目前礦井下有線頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)存在布線復雜、維護不便等缺點，提出了一套基于ZigBee平臺，采用Cortex-M3為內(nèi)核的STM32W模塊設(shè)計開發(fā)的礦井壓力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過CAN總線將測量點數(shù)據(jù)送到監(jiān)測PC機，實現(xiàn)對礦井頂板壓力數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，同時記錄歷史數(shù)據(jù)從而能夠研究頂板來壓規(guī)律，為頂板管理提供參考依據(jù)。經(jīng)過大量的實驗驗證，系統(tǒng)的硬件和軟件程序工作可靠，操作方便，具有推廣應(yīng)用價值。

ZigBee平臺；壓力監(jiān)測；STM32W；頂板壓力

0 引言

在煤礦安全生產(chǎn)事故中,瓦斯和頂板事故為主要事故，煤礦頂板事故對礦井安全生產(chǎn)危害極大。據(jù)我國煤礦事故統(tǒng)計，頂板事故一直居各類事故首位。

目前國內(nèi)市場上已出現(xiàn)很多煤礦頂板壓力安全監(jiān)控系統(tǒng)，其中大多采用通訊電纜連接監(jiān)測設(shè)備，這樣的有線網(wǎng)絡(luò)方式不僅布線困難、操作復雜，且極易被扯斷，從而導致現(xiàn)場采集的壓力數(shù)據(jù)無法實時、可靠地上傳到地面監(jiān)測機，為煤礦的安全生產(chǎn)留下了重大隱患。隨著無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展以及集成度越來越高的射頻芯片的出現(xiàn)，使得基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)變?yōu)榭赡?。因此，提出了基于ZigBee技術(shù)，采用新型集成無線射頻模塊結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks ,WSN)技術(shù)，設(shè)計了頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對頂板壓力的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)由頂板壓力檢測裝置和上位機監(jiān)測系統(tǒng)組成，其中頂板壓力檢測裝置由多個壓力監(jiān)測分站構(gòu)成，主要實現(xiàn)壓力信號實時采集、數(shù)據(jù)存儲、顯示等；上位機監(jiān)測系統(tǒng)通過CAN總線實現(xiàn)對礦井頂板壓力數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控同時記錄歷史數(shù)據(jù)并在接近或達到報警壓力值時發(fā)出橙色或紅色報警，促使安全部門采取有效措施，達到安全生產(chǎn)的目的。

本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點作為頂板壓力數(shù)據(jù)采集的終端,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡稱WSN，是一種由大量小型傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)。這些小型傳感器一般稱作sensor node(傳感器節(jié)點)。此種網(wǎng)絡(luò)中一般也有一個或幾個匯聚節(jié)點(sink node)用來集中從小型傳感器收集的數(shù)據(jù)。

傳感器節(jié)點通過ZigBee無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點,路由節(jié)點繼續(xù)采用無線通信方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點通過CAN總線把采集的數(shù)據(jù)傳輸至地面的管理監(jiān)控站，如圖1所示。其中傳感器節(jié)點安裝在液壓支架上，對其前支柱、后支柱、前身梁3點進行壓力采集，從而測出頂板壓力變化。路由節(jié)點作為通訊的中繼，實現(xiàn)匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點的通信，傳遞采集到的數(shù)據(jù)，同時可以延長整個系統(tǒng)的距離通訊。匯聚節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，可對傳感器節(jié)點發(fā)送指令，匯總采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

圖1 頂板壓力采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

壓力檢測系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要有匯聚節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點，在無線配置部分都選擇了高性能、低功耗的STM32W108為通信處理芯片。以傳感器節(jié)點為例，其節(jié)點的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號采集模塊

設(shè)計中壓力傳感器采用PC10系列硅壓阻式壓力芯體，有別于傳統(tǒng)的硅應(yīng)變片式傳感器，具有測量精度高，穩(wěn)定性好、使用壽命長等特點，同時固化結(jié)構(gòu)中有極大的內(nèi)部阻抗，功耗更低。PC10系列是將擴散硅壓力敏感芯片封裝到316L不銹鋼外殼中，外加壓力通過不銹鋼膜片、內(nèi)部密封的硅油傳遞到敏感芯片上，敏感芯片不直接接觸被測介質(zhì)，形成壓力測量的全固態(tài)結(jié)構(gòu)，可適用于各種場合，包括惡劣的腐蝕性介質(zhì)環(huán)境。

由于采集信號的幅值范圍比較廣，因此選用具有較寬共模輸入范圍的集成單電源儀表放大器AD623。該模塊能在單電源下提供滿電源幅度的輸出，允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程，因此靈活性更好。能夠提供極好的交流共模抑制比從而保持最小的誤差，其允許使用單個增益設(shè)置電阻進行增益編程,靈活性高，使用方便，并且能降低系統(tǒng)的功耗，同時改善系統(tǒng)采集信號的信噪比，原理圖設(shè)計如圖3所示。

圖3 壓力信號采集模塊

2.2 數(shù)據(jù)處理與無線通訊模塊

STM32W108是一個完全集成的系統(tǒng)芯片，該芯片集成了符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz收發(fā)器、32位ARM Cortex-M3微處理器、Flash閃存、RAM存儲器以及基于ZigBee系統(tǒng)使用的很多通用外設(shè)[1]。此芯片相比現(xiàn)在常用的8位的8051，8052，其32位處理器處理能力更快，同時在保持低功耗的基礎(chǔ)上，內(nèi)部自帶有功率放大器(PA)，發(fā)射功率可以+7 dBm，從而無需外部功放就可以獲得更大的通信距離。另外，STM32W108對于那些要求非常長的待機功能的應(yīng)用，具有休眠模式和可以短時間轉(zhuǎn)換到主動模式的功能，從而能夠成為最理想的解決方案。

STM32W108 的無線接收器是一種低中頻、超外差接收器，它可以和其他設(shè)備共用 2.4 GHz 頻段。接收器使用差分信號通路，以減少對噪聲干擾的敏感性。信號經(jīng)過射頻放大、下變頻、濾波，最后ADC量化，其無線射頻結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 STM32W108無線射頻結(jié)構(gòu)圖

芯片內(nèi)部集成了RF收發(fā)功能，為了更好地引入諧波信號，在雙向的RF端口需匹配相應(yīng)硬件電路，包括外置的帶通濾波器濾除不需要的諧波。設(shè)計中選用2.4G ZigBee SMA天線，其駐波比≤2.0，增益為2.0 dBi，從而能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點更長的通訊距離和更穩(wěn)定的通訊效果。

2.3 CAN通訊模塊

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)的簡稱，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境[2]。

隨著CAN總線的普及，在一些遠距離的應(yīng)用中，會面臨一些強電磁干擾、高共模電壓等問題，容易造成通信異常，嚴重情況下甚至損壞整個網(wǎng)絡(luò)。因此對各個通信節(jié)點進行隔離是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性一個有效的手段。設(shè)計中CAN通訊模塊用到的ADM3053是一款隔離式控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，符合ISO 11898標準。該器件采用iCoupler技術(shù)，將雙通道隔離器、CAN收發(fā)器和isoPower DC/DC轉(zhuǎn)換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內(nèi)振蕩器輸出一對方波，以驅(qū)動內(nèi)部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。原理圖設(shè)計如圖5所示。

圖5 CAN通訊模塊

匯聚節(jié)點把路由節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過CAN總線傳輸至地面的管理監(jiān)控站，實現(xiàn)對井下壓力的實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee規(guī)范是一組高層通信協(xié)議，使用基于 IEEE 802.15.4-2003 的小型低功耗無線射頻。ZigBee是近年來快速發(fā)展的WSN的規(guī)范之一，普遍適用于低速率、低功耗并且安全的無線網(wǎng)絡(luò)[3]。

3.1 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與通訊協(xié)議

ZigBee平臺的井下壓力采集中，傳感器節(jié)點安裝在液壓支架上，3路數(shù)據(jù)采集模塊，對液壓支架前柱、后柱和前伸梁進行壓力采集。雖然液壓支架會隨著煤炭開采的推進而前進，但移動的距離不遠，因此在頂板工作面上，節(jié)點的分布是長帶狀的。由于液壓支架在工作現(xiàn)場物理布局呈現(xiàn)狹長狀態(tài)，其長度一般會延續(xù)數(shù)百米而寬度相對來說小得多，所以結(jié)合能量消耗均衡等問題，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓撲采用簇型線狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]，如圖6所示。

圖6 簇型線狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

考慮到大型煤礦頂板工作面長度超過200 m，無線組網(wǎng)不能采用單一接收裝置，必須設(shè)計成傳遞方式接收數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)從遠處的設(shè)備接力傳輸?shù)浇幍脑O(shè)備。同時ZigBee井下無線通訊采用點對點方式接力傳輸，從而可以延長壓力設(shè)備的傳輸距離[5-6]。

系統(tǒng)的傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點之間采用自編的協(xié)議通信。如表1所示，其中，功能碼01 表示對采集分站進行采集數(shù)據(jù)，除此之外系統(tǒng)內(nèi)還有設(shè)置采集分站地址，設(shè)置采集分站時間等功能分別用不同的功能碼表示；地址01 表示1號設(shè)備。第一組數(shù)據(jù)為1號采集分站采集到的壓力值，1個采集分站共有3路采集模塊。校驗位為標準CRC校驗。

表1 1號采集分站數(shù)據(jù)包格式

3.2 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點是對壓力檢測數(shù)據(jù)進行采集并上傳，其運行流程圖如圖7所示。初始化包括硬件初始化、串口初始化、中斷使能等，然后發(fā)送一個問詢指令在信道搜索網(wǎng)絡(luò)上進行搜索匹配，當與匯聚節(jié)點發(fā)送的信號匹配后，會更新自己的地址和匯聚節(jié)點保持一致，從而加入指定的匯聚節(jié)點，進行數(shù)據(jù)傳輸。如果沒能第一時間與相應(yīng)匯聚進行連接，會間隔30 s，重新發(fā)送問詢加入指令，直至與對應(yīng)的匯聚節(jié)點完成連接。

圖7 傳感器節(jié)點流程圖

3.3 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

井下檢測系統(tǒng)的通訊架構(gòu)是由匯聚節(jié)點來形成網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送廣播，路由節(jié)點和傳感器節(jié)點搜索信道網(wǎng)絡(luò)，并申請加入，從而進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖8所示。加入網(wǎng)絡(luò)前的初始化部分與傳感器節(jié)點相類似。

圖8 Sink節(jié)點流程圖

匯聚節(jié)點首先形成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成后就可以給申請加入網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點分配地址創(chuàng)建列表，與它們相互通訊，接收子節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)。然后處理無線網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)，再通過CAN總線上傳到礦上的監(jiān)測機。同時，上位機也可以反向方式向下傳送監(jiān)測機的命令指令，然后匯聚節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(fā)送，從而實現(xiàn)上位機與井下檢測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互通訊，達到控制壓力檢測的效果。

4 實驗結(jié)果

為了驗證整套系統(tǒng)設(shè)計的可行性，將本系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)和標準液壓壓力計測得的數(shù)據(jù)進行對比分析。實驗中選用1個傳感器節(jié)點進行采集壓力值，無線傳輸經(jīng)過1個路由節(jié)點后傳輸?shù)?個匯聚節(jié)點，通過CAN總線連接到電腦。實驗對比結(jié)果如表2所示。

表2 實驗測試結(jié)果對比

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于ZigBee平臺的礦井頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對礦井下各頂板壓力的實時監(jiān)測,為預防頂板冒頂事故的發(fā)生提供科學的依據(jù)。將無線傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到煤礦安全監(jiān)測中，取代傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式是未來發(fā)展的趨勢，同時新推出的STM32W系列無線模塊的高性能、低功耗的特點具有廣闊的發(fā)展空間和市場應(yīng)用前景。

[1] 沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機原理儀應(yīng)用.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2] 丁鋮，孟國營，崔國梁，等．基于ARM 和CAN總線的液壓支架壓力監(jiān)測平臺的設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2012(11):169-172.

[3] 賀文.基于 IEEE802.15.4/ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究：[學位論文].杭州：浙江大學，2006.

[4] 劉日成，李金海，徐春超．礦用液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)在綜采工作面的應(yīng)用．煤礦安全，2012,43(6)：67-68．

[5] 丁恩杰，孟祥，李曉．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.煤礦機械，2010,31(10)：139-141.

[6] ALEMDAR H,ERSOY C.Wireless Sensor Networks for healthcare．Computer Networks,2010，54(15)：2688-2710．

Design of Wireless Roof Pressure Monitoring System Based on ZigBee

ZHANG Lei,WANG Xiao-rong,WANG Xi-lin,CHEN Yan

(School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

For the current wired mine roof pressure monitoring system exists shortcomings of wiring complexity and maintenance inconvenience,using the Cortex-M3 core STM32W module,a mine pressure monitoring system was proposed based on ZigBee platform.The system transmitted data of the measure points to PC monitor through CAN bus,realized real-time data monitoring of the mine roof pressure while recording historical data,allowed the roof to pressure law studies and provided reference for roof management.A number of experiments show that the system's hardware and software program are reliable,easy to operate and have popularization and application value.

ZigBee platform; pressure monitoring; STM32W; roof pressure

2014-03-29 收修改稿日期：2014-11-01

TN98

A

1002-1841(2015)04-0054-04

張磊(1990—)，碩士研究生，研究方向為檢測技術(shù)與自動化裝置。E-mail：515156249@qq.com