基于ZigBee和以太網(wǎng)技術(shù)的巷道頂板離層數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王立飛，王曉榮（南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京210009）

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基于ZigBee和以太網(wǎng)技術(shù)的巷道頂板離層數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王立飛，王曉榮*
（南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京210009）

摘要：針對(duì)目前礦用頂板離層儀主要采用有線的傳輸方式，這種方式存在安裝不方便、成本高、靈活性和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)。因此，筆者根據(jù)頂板離層的測(cè)量原理，結(jié)合巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在STM32處理器上將ZigBee與以太網(wǎng)結(jié)合，運(yùn)用RT-thread操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種采用ZigBee和以太網(wǎng)技術(shù)2層通訊的頂板離層數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。礦下實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)測(cè)量范圍在0~300 mm，測(cè)量精度達(dá)到2%，ZigBee部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，方便了頂板離層檢測(cè)的自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：頂板離層儀；ZigBee；以太網(wǎng)；在線監(jiān)測(cè)

煤礦巷道頂板離層是指在巷道服務(wù)期內(nèi)，頂板巖層中一點(diǎn)與其上方一定深度巖層中的某一基點(diǎn)之間的相對(duì)位移量。頂板離層的狀態(tài)，直接關(guān)系到巷道圍巖支護(hù)效果和煤礦生產(chǎn)安全［1］。近幾年，隨著煤炭監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種基于rs485總線、can總線、以太網(wǎng)等有線網(wǎng)絡(luò)的頂板離層檢測(cè)系統(tǒng)［2-3］，在一定程度上解決了傳統(tǒng)頂板離層儀人工抄數(shù)的局限性，但有線網(wǎng)絡(luò)存在安裝不方便、成本高、靈活性和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)［4-5］。

ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、低成本、延時(shí)短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全的優(yōu)點(diǎn)［6］，通訊距離可達(dá)幾公里；以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，筆者將ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，研究設(shè)計(jì)了一種采用ZigBee和以太網(wǎng)技術(shù)2層通訊的頂板離層數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)頂板離層檢測(cè)系統(tǒng)安裝不方便、成本高、靈活性和擴(kuò)展性差的缺點(diǎn)，方便了研究人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和綜合分析［7］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的煤礦都鋪設(shè)了以太網(wǎng)。而基于煤礦巷道高度、寬度有限，長(zhǎng)度較長(zhǎng)的特點(diǎn)，單一的有線網(wǎng)絡(luò)具有一定的局限性。因此，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用2層通訊，底層離層檢測(cè)儀與通訊分站之間采用ZigBee通訊方式；通訊分站與地面監(jiān)控主機(jī)之間采用以太網(wǎng)通訊方式。地面監(jiān)控主機(jī)可遠(yuǎn)程對(duì)通訊分站和離層檢測(cè)儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。系統(tǒng)主要由底層離層檢測(cè)儀（路由ZigBee Router節(jié)點(diǎn)）、通訊分站（協(xié)調(diào)者ZigBee Coordinator節(jié)點(diǎn)）、光纖環(huán)網(wǎng)、監(jiān)控主機(jī)軟件幾部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

底層離層檢測(cè)儀（路由ZigBee Router節(jié)點(diǎn)）負(fù)責(zé)采集、顯示頂板離層數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，并與通訊分站（協(xié)調(diào)者ZigBee Coordinator節(jié)點(diǎn)）之間傳遞數(shù)據(jù)和命令。底層離層檢測(cè)儀框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

圖2　底層離層檢測(cè)儀框圖

通訊分站（協(xié)調(diào)者ZigBee Coordinator節(jié)點(diǎn)）作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、分配地址、匯總查詢訊息、上傳數(shù)據(jù)和下傳命令。

通訊分站框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　通訊分站框圖

針對(duì)煤礦的安全需求，本系統(tǒng)采用本安設(shè)計(jì)和隔爆設(shè)計(jì)的雙重安全防護(hù)措施，確保井下使用的安全性。

2　處理器

STM32F1系列芯片是常用的32 bit MCU，Cor?tex-M3內(nèi)核，運(yùn)算速度快，RAM和FLASH容量較大，價(jià)格便宜，很容易買到。

2.1STM32F103芯片

底層離層檢測(cè)儀（路由ZigBee Router節(jié)點(diǎn)）的核心控制器是STM32F103芯片，屬于中低端的32 bit ARM微控制器，由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，芯片集成了定時(shí)器、ADC、DMA、SPI、I2C、USB、CAN、UART、串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口等多種功能。集成度高、可靠性強(qiáng)，減小了電路板尺寸，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2.2STM32F107芯片

通訊分站（協(xié)調(diào)者ZigBee Coordinator節(jié)點(diǎn)）的核心控制器是STM32F107芯片，是意法半導(dǎo)體（ST）推出的一款性能較強(qiáng)的互連型STM32產(chǎn)品，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，包含以太網(wǎng)10/ 100 MAC模塊。此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動(dòng)化、家庭音響和家電市場(chǎng)等多種產(chǎn)品需求。

3　ZigBee

3.1ZigBee硬件設(shè)計(jì)

ZigBee Router模塊采用增強(qiáng)型REX3SP模塊，外形小巧、靈敏度高、低功率，可靠通訊距離可達(dá)2 000 m（可視距離），該模塊符合IEEE802.15.4Zig?Bee協(xié)議棧［8］，支持自我修復(fù)、自我組織的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)流量并降低了功耗。ROUTER節(jié)點(diǎn)能夠加入到一個(gè)已經(jīng)存在的無線網(wǎng)絡(luò)中，加入到無線網(wǎng)絡(luò)中之后可以接受其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)中繼、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。ZigBee Router通訊模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

ZigBee Coordinator模塊采用增強(qiáng)型REX3SP模塊。COO節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)的邏輯中心點(diǎn)，在無線網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的功能，能夠建立并管理一個(gè)新的無線網(wǎng)絡(luò)。COO節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)之后，就可以接收其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，從而使無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展開。COO節(jié)點(diǎn)使用有線電源供電，不需要休眠，并且能夠管理休眠節(jié)點(diǎn)。ZigBee Coordinator模塊電路設(shè)計(jì)類似于ZigBee Router模塊。

圖4　ZigBee Router通訊模塊電路圖

3.2ZigBee軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 ZigBee通訊數(shù)據(jù)幀格式

應(yīng)用程序通過串口（UART）訪問REX3SP模塊，為了保證通信的正確率，采用表1的幀格式。數(shù)據(jù)幀由幀頭（Header），幀長(zhǎng)（Length），有效數(shù)據(jù)（Payload），校驗(yàn)和（Check），幀尾（Footer）五個(gè)部分組成。其中，Header取值為0x2A，F(xiàn)ooter取值為0x23；Length取值為Payload的長(zhǎng)度（不包括Header，F(xiàn)ooter，Check 和Length本身），Check取值為Payload相加值的最低字節(jié)。

表1　ZigBee通訊幀格式

上傳的有效數(shù)據(jù)包（Payload）格式如表2所示。

表2　上傳有效數(shù)據(jù)（Payload）包格式　單位：byte

下傳的有效數(shù)據(jù)包格式（Payload）如表3所示。

表3　下傳有效數(shù)據(jù)（Payload）包格式　單位：byte

3.2.2 ZigBee通訊協(xié)議改進(jìn)

基于ZigBee技術(shù)的頂板離層儀早已有人研究，但基本都是僅僅在實(shí)驗(yàn)室，真正在煤礦上得以應(yīng)用的非常少。其主要原因是因?yàn)榈V下情況復(fù)雜，無線通訊的穩(wěn)定性難以保證。為保證ZigBee數(shù)據(jù)傳輸不丟失，程序采用輪詢的方式，未上傳的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在緩沖區(qū)中，待下次輪詢時(shí)一并上傳。

4　以太網(wǎng)

4.1以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)

STM32F107芯片自帶了10/100以太網(wǎng)接口，以太網(wǎng)PHY控制器選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司DP83848單路物理層器件［9］，具有低功耗性能。DP83848模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

4.2以太網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

Tcp/Ip協(xié)議棧采用的是lwip1.4.1協(xié)議棧，程序主要包括網(wǎng)卡的初始化和協(xié)議棧的監(jiān)測(cè)。RTThread具有豐富的組件包括Lwip，省去了移植網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的過程。

lwip只要使能rtconfig.h中宏代碼，然后修改基地址和中斷函數(shù)就可以了，lwip相關(guān)宏定義如圖6所示。lwip通訊測(cè)試如圖7所示。

圖5　DP83848模塊電路圖

圖6　lwip相關(guān)宏定義

圖7　Lwip通訊測(cè)試

5　RT-Thread操作系統(tǒng)下軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用RT-Thread操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的軟件構(gòu)架。RT-thread操作系統(tǒng)是一種小型、實(shí)時(shí)、可剪裁的嵌入式操作系統(tǒng)。它包含實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)組件：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、libc接口、圖形界面等。采用C語言編寫代碼，代碼格式規(guī)范，結(jié)合了VxWorks和ucos兩個(gè)操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于ucos，是Cortex M3、CortexM4內(nèi)核的最理想的嵌入式操作系統(tǒng)，源代碼完全公開，免費(fèi)商業(yè)使用。

5.1底層離層檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

底層離層檢測(cè)儀將任務(wù)分成5個(gè)線程：Zig?Bee通訊線程、A/D采樣線程、數(shù)碼管顯示線程、按鍵線程、工廠設(shè)置線程。線程優(yōu)先級(jí)如圖8所示，從左到右遞減，任務(wù)間同步及通訊采用RTThread操作系統(tǒng)中的關(guān)閉中斷、信號(hào)量、事件和郵箱來實(shí)現(xiàn)。

圖8　ZigBee Router節(jié)點(diǎn)線程優(yōu)先級(jí)圖

5.2通訊分站軟件設(shè)計(jì)

通訊分站將任務(wù)分成4個(gè)線程：ZigBee通訊線程、以太網(wǎng)線程、液晶顯示線程、按鍵線程。線程優(yōu)先級(jí)如圖9所示，從左到右遞減，任務(wù)間同步及通訊采用RT-Thread操作系統(tǒng)中的關(guān)閉中斷、信號(hào)量、事件和郵箱來實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)協(xié)議棧采用瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院（SICS）的Adam Dunkels開發(fā)的一個(gè)小型開源的TCP/IP協(xié)議棧lwip。

圖9　ZigBee Coordinator節(jié)點(diǎn)線程優(yōu)先級(jí)圖

6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6.1ZigBee通信可靠性實(shí)驗(yàn)

針對(duì)設(shè)計(jì)的頂板離層儀進(jìn)行ZigBee通信可靠性分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用圖1的系統(tǒng)架構(gòu)，1臺(tái)通訊分站下接32臺(tái)底層離層檢測(cè)儀，頂板離層儀每3秒產(chǎn)生一幀數(shù)。礦下實(shí)驗(yàn)證明，ZigBee采用輪詢的通訊機(jī)制保證了數(shù)據(jù)傳輸不丟失。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4和表5。

表4　不加中繼時(shí)ZigBee通信可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5　加中繼時(shí)ZigBee通信可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6.2傳感器精度實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過拉動(dòng)機(jī)械裝置帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，離層儀顯示位移與物體實(shí)際位移偏差小于2%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6　位移測(cè)量結(jié)果

7　結(jié)束語

本系統(tǒng)結(jié)合了現(xiàn)如今煤礦巷道的實(shí)際情況，將

ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，從低功耗和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性方面設(shè)計(jì)了軟硬件，具有低功耗、使用壽命長(zhǎng)、安裝容易、安裝成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、可在監(jiān)測(cè)機(jī)上遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)，方便了研究人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和綜合分析。

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王立飛（1990-），男，江蘇南京人，在讀碩士研究生，就讀于南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化院，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，249254132@qq.com；

王曉榮（1972-），男，漢族，江蘇阜寧人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向是分析儀器設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)綜合控制，9525819@qq.com。

Serial Expansion Based on XR16L788 and Its Application

WANG Shuping1，2，YANG Wei1，2*，HOU Shuang1，2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

Abstract：Described in detail based on the high performance eight channel UART controller chip XR16L788 the serial expansion communication method，and complete its on S3C2410 driver and its application in a has the func?tion orientation of new remote terminal，to solve the problem of shortage of the device interface and the remote termi?nal can on the one hand，using GPS，electronic compass，laser range finders provide information to achieve the tar?get passive location，on the other hand the wireless module to transmit control command receiving feedback informa?tion. Practical application shows that，the method to design reliable，in order to meet the requirements of the original at the same time，we have reserved the interface to facilitate the expansion of other functions.

Key words：XR16L788；extended UART；S3C2410；remote terminal；passive positioning

doi：EEACC：7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.043

收稿日期：2015-04-03修改日期：2015-08-19

中圖分類號(hào)：TN923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0205-06