基于ZigBee的礦井提升機(jī)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

高 寧 ，任 芳 ，李娟莉 ，楊兆建

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

礦井提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備，是煤炭、矸石、物料、人員等進(jìn)出礦井的載體，具有重要作用[1]?，F(xiàn)階段，在礦井提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)中，大量運(yùn)用有線的方式對采集到的信號進(jìn)行傳輸，文獻(xiàn)[2-3]等對該方法進(jìn)行了充分的研究。這種基于有線的監(jiān)測系統(tǒng)部署成本高、可維護(hù)性差、缺少靈活性、監(jiān)測范圍有限以及冗余容錯能力差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致采集信號的質(zhì)量降低，從而影響系統(tǒng)的效果[4]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)在中國的逐步發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)被越來越多的人所熟知接受。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量低成本、多功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值和潛在的應(yīng)用前景[5-6]。隨著物聯(lián)網(wǎng)在其他方面的成熟運(yùn)用，文獻(xiàn)[7-9]都把物聯(lián)網(wǎng)的思想運(yùn)用到礦井提升機(jī)等礦山設(shè)備的檢測中，并取得良好的效果。

礦井提升機(jī)實(shí)時監(jiān)測主要依賴于對運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、處理。運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行這方面的工作可以減少布線、提高容錯能力，從而提高數(shù)據(jù)的精確度，具有穩(wěn)定可靠、低成本、簡潔方便靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)勢。礦井提升機(jī)的安全運(yùn)行在很多方面由制動系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性決定。由于系統(tǒng)的擴(kuò)展性強(qiáng)，所以先以對制動系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[10]。每個節(jié)點(diǎn)既有采集數(shù)據(jù)的功能，又有給附近節(jié)點(diǎn)做路由的功能。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單跳或多跳的方式傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)連接到互聯(lián)網(wǎng)。最終傳輸?shù)接脩艄芾斫K端，提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)[11]。

2.2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常將節(jié)點(diǎn)分為傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)等三種類型。傳感節(jié)點(diǎn)主要包括感知、控制、無線收發(fā)和電源管理等單元。而傳感器節(jié)點(diǎn)本身也可作為路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，只是對他們進(jìn)行不同的功能區(qū)分即可。所以所用節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)為傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)組成部分系統(tǒng)框圖Fig．1 The System Block Diagram of Sensor Nodes

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)的過程中，各節(jié)點(diǎn)之間通過自組織的方式進(jìn)行組網(wǎng)，因此需要用到近距離無線通信技術(shù)?，F(xiàn)階段，比較成熟的無線短距離通信技術(shù)主要包括藍(lán)牙（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、紅外線數(shù)據(jù)通信（IrDA）、ZigBee、超寬帶通信（UWB）等。他們各自有優(yōu)缺點(diǎn)及使用的場合，其中藍(lán)牙不適用于建立大范圍的多節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；Wi-Fi的功耗較高，安裝周圍需要有電源持續(xù)供電；IrDA只能在兩個設(shè)備之間連接；UWB覆蓋范圍小，傳輸距離短；ZigBee具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸距離相對較遠(yuǎn)、ISM頻段免費(fèi)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

在對礦井提升機(jī)制動系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，需要布置多個的傳感器節(jié)點(diǎn)；由于工作時間長，需要考慮設(shè)備功耗；監(jiān)測點(diǎn)分布比較分散，對傳輸距離有一定的要求；數(shù)據(jù)監(jiān)測穩(wěn)定性要求比較高?；谝陨弦蠛透鱾€通信方式的特點(diǎn)，其中ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)采集的通信環(huán)境要求，雖然其通訊速率較低，最大通訊僅為250kbps，但對無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)夠用，本系統(tǒng)最大通訊速率為32kbps左右，所以本系統(tǒng)采用ZigBee作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括星形拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)湟约皹湫瓮負(fù)洹Ｐ切尉W(wǎng)絡(luò)是其中最簡單的結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器和一系列的終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，所有節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)主要是對一副制動盤做出數(shù)據(jù)采集，需要采集的數(shù)據(jù)源相對獨(dú)立，結(jié)構(gòu)相對簡單明了，不需用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇星形拓?fù)洹?/p>

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig．2 General Structure of System

本系統(tǒng)是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為總體架構(gòu)，通過安裝在提升機(jī)制動盤和液壓站等位置的傳感器，采集出制動盤偏擺、閘瓦間隙、液壓站油壓（制動油壓、殘壓等）、正壓力等參數(shù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。傳感器通過和節(jié)點(diǎn)的相連形成傳感器節(jié)點(diǎn)，將采集的數(shù)據(jù)以單跳的傳輸方式到匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)通過串口通訊傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，通過VB窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，并實(shí)時保存到數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、故障診斷等提供數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)硬件支持

系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升機(jī)制動系統(tǒng)工作時關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)的采集是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括以下設(shè)備：

（1）電渦流位移傳感器：HZ891YT系列一體化電渦流位移傳感器，主要用于測量閘瓦間隙和制動盤偏擺。

傳感器可將偏擺量線性的轉(zhuǎn)換為直流電壓。把傳感器觸頭對準(zhǔn)安裝制動閘的同心圓上任意點(diǎn)，在提升機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后，傳感器觸頭與同心圓上點(diǎn)的相對位移就是偏擺位移δ。

（2）壓力傳感器：丹佛斯MBS 3050-3413-1GB04壓力傳感器，主要用于測量油壓的大小。

由于液壓站供給每個液壓缸的各個管路的液壓源都是相同的，忽略油壓在管道內(nèi)傳輸過程損失的壓力，電磁換向閥的出口處的壓力和其它各液壓缸中所測壓力是一樣的，因此，本系統(tǒng)只在電磁換向閥的出口處接了一個壓力傳感器即可。

（3）力傳感器：CMK1 型墊圈式測力傳感器，量程為（0～5）T，靈敏度為2．0mV/V，主要測量制動器碟形彈簧壓力的大小。在碟形彈簧的底部安裝力傳感器，直接測量碟形彈簧對傳感器的壓力。由彈簧壓力和液壓缸的油壓可以計算得出正壓力的大小，因此再加上制動盤的摩擦系數(shù)和平均制動半徑，就可以算出制動力矩的大小。

（4）開關(guān)電源。選擇與傳感器相配套的電源，或直接接到現(xiàn)有設(shè)備的配電器中。

（5）傳感器節(jié)點(diǎn)。選用TI公司的CC2530芯片作為各節(jié)點(diǎn)的核心模塊。作為SoC片上系統(tǒng)，其把ZigBee無線射頻芯片與MCU集成到一起。包括通訊接口、定時器、ADC等，32/64/128/256/kB四種類型的閃存和8kB的片內(nèi)RAM。本系統(tǒng)選用256kB閃存的CC2530F256芯片。

4 系統(tǒng)軟件支持

4.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee設(shè)備間的組網(wǎng)程序是在ZigBee協(xié)議棧下，采用相配套的IAR軟件進(jìn)行編寫[12]。以IAR 8．10作為開發(fā)環(huán)境，利用ZStack 協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，IAR 8．10 和 Zstack-CC2530-2．5．1a 配合使用，在TI官方工程文件SensorDemo上進(jìn)行修改，得到和開發(fā)板配套使用的程序。網(wǎng)絡(luò)組建的具體過程，如圖3所示。分別把編譯好的程序按協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)下載到對應(yīng)的模塊上；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自動建立一個網(wǎng)絡(luò)后，工作于接受模式，通過串口和上位機(jī)相連；終端節(jié)點(diǎn)自動發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)并加入；上位機(jī)通過串口接收采集到的數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集

把所用傳感器與節(jié)點(diǎn)相連，組成不同的傳感器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集的流程，如圖3所示。給系統(tǒng)上電，傳感器開始工作，分別采集到對應(yīng)的模擬量信號，經(jīng)CC2530芯片里面的ADC功能對信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為ASCII碼，傳到無線發(fā)送模塊，每個傳感器節(jié)點(diǎn)在完成以上工作后，都會利用ZigBee協(xié)議把ASCII碼無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由串口傳到計算機(jī)上。

數(shù)據(jù)采集程序的整個編譯過程也是在IAR 8.10開發(fā)環(huán)境下完成，這里面主要是完成對CC2530的初始化和ADC等其他功能的驅(qū)動。本部分程序單獨(dú)完成后，再把其添加到協(xié)議棧代碼中，會起到事半功倍的效果。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig.3 Design Flow Diagram of System Suftware

4.3 數(shù)據(jù)接收與顯示

為了能在上位機(jī)上實(shí)時監(jiān)測并儲存數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收程序采用Visual Basic 6.0作為開發(fā)工具，開發(fā)語言為VB語言。選擇SQL Server 2008進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存，把數(shù)據(jù)實(shí)時保存到數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)的進(jìn)一步分析。通過VB窗口，利用MSComm控件進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的接受，并把ASCII碼轉(zhuǎn)化成數(shù)字的方式顯示；利用Timer控件完成自動保存的功能；利用ADO控件連接數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時保存；利用MSChart和DataGrid控件完成數(shù)據(jù)的顯示。通過上過程，完成數(shù)據(jù)的接受與轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行顯示保存，使我們可以實(shí)時了解制動系統(tǒng)運(yùn)行的情況。

5 實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠，搭建了2JTP-1.2型提升機(jī)作為實(shí)驗(yàn)臺。提升機(jī)制動系統(tǒng)主要由制動器和液壓站組成。制動系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)為：提升機(jī)雙卷筒，盤形制動閘，制動盤平均摩擦半徑為0.63m，制動器副數(shù)為4副[13]。本實(shí)驗(yàn)只對一副制動器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)在電磁換向閥的出口處接了一個壓力傳感器，從此傳感器測出液壓缸實(shí)時變化的油壓；位移傳感器固定在制動器上，調(diào)整傳感器端面，保證其與制動盤平行，通過測量傳感器端面到盤的距離變化可間接測得閘瓦間隙變化；將另一位移傳感器也固定在制動器上，在完全松閘狀態(tài)下，通過測量制動盤在旋轉(zhuǎn)過程中傳感器與制動盤間的相對位移，得出制動盤的偏擺量；在碟形彈簧的底部安裝力傳感器，測量碟形彈簧對傳感器的壓力，通過此壓力值和油壓值，計算得到正壓力值，從而得到制動力矩的值。實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝Fig.4 Installation of Experimental Equipment

連接傳感器節(jié)點(diǎn)，提前編譯好應(yīng)用程序，給系統(tǒng)上電，提升機(jī)運(yùn)行，采集到對應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖5所示。為檢驗(yàn)采集到信號的準(zhǔn)確性，用采集卡采集、組態(tài)王顯示的傳統(tǒng)方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。對比采集到的間隙數(shù)據(jù)的時域變化，如圖6所示。組態(tài)王對采集數(shù)據(jù)的顯示，如圖 6（a）、圖 6（b）所示。系統(tǒng)的顯示，如圖 6（c）、圖6（d）所示。由圖6可得：系統(tǒng)采集結(jié)果和傳統(tǒng)方式不僅基本一致，數(shù)據(jù)還要更加準(zhǔn)確、清晰。

圖5 數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.5 Result of Data Acquisition

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of Experimental Data

6 結(jié)論

完成基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對礦井提升機(jī)制動系統(tǒng)相關(guān)信號的采集。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)明確、可擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)用性好，整個節(jié)點(diǎn)由CC2530集成模塊控制，降低成本，節(jié)省功耗。通過編譯Z-Stack協(xié)議棧，把相關(guān)硬件的驅(qū)動程序添加到協(xié)議棧，完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸。通過實(shí)驗(yàn)檢測證明，節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確可靠的采集到制動系統(tǒng)運(yùn)行時的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定高效地傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，并進(jìn)行顯示保存。

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