基于ZigBee和GPRS融合的礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

丁江江 李娟莉,3 王學文

(1.太原理工大學機械工程學院，山西省太原市，030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西省太原市，030024;3.山西焦煤集團有限責任公司博士后科研工作站，山西省太原市，030024)

1 引言

目前，常見的礦井提升設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是在設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測位置放置傳感器，采集提升設(shè)備運行過程中的一系列運行參數(shù)，通過現(xiàn)場布線的方式即利用網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場的工控機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并利用組態(tài)監(jiān)測軟件顯示設(shè)備各項運行狀態(tài)及異常報警，實現(xiàn)對設(shè)備生產(chǎn)和運行狀態(tài)的現(xiàn)場監(jiān)測。在實際生產(chǎn)中，為了保證井下人員以及生產(chǎn)安全，通常會將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時地傳輸?shù)竭h端數(shù)據(jù)中心，方便專業(yè)人員遠程對煤礦提升設(shè)備的運行狀況遠程監(jiān)測和設(shè)備是否良好運行的在線診斷，這些就要求組建的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸具有較高的穩(wěn)定性和安全性。考慮到礦區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境以及地理位置偏遠等實際情況，加上煤礦生產(chǎn)過程中各種偶然性干擾因素也會影響甚至降低提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量和可靠性，因此礦井提升設(shè)備遠程監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定性問題至關(guān)重要。

李靜雅等研究人員開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)的提升機監(jiān)測系統(tǒng)通用平臺，實現(xiàn)了礦井提升設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合?，F(xiàn)有的半無線或者全有線的礦井提升設(shè)備遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在系統(tǒng)框架的靈活性、簡易性較差，在地理環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境的礦區(qū)搭建的難度較大，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和快捷性有待加強；羅回彬等研究人員采用ZigBee協(xié)議建立無線傳感器網(wǎng)絡，而且通過WiFi模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的采集；楊瑞峰等研究人員指出ZigBee組建無線網(wǎng)絡具有低速率、低功耗、延時短、網(wǎng)絡存儲量大等優(yōu)勢；高寧等研究人員針對礦井提升機運行狀況監(jiān)測設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這是一種ZigBee應用在礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測近距離無線傳輸系統(tǒng)；劉生江提出了基于GPRS無線網(wǎng)絡的礦井提升機故障監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案；鄭洪強等研究人員采用GPRS無線通信技術(shù)與SOM神經(jīng)網(wǎng)絡信號處理技術(shù)相結(jié)合的方法；閆成志指出GPRS無線系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集速度快、雙向高效傳輸、并且能夠智能化監(jiān)控；丁鵬在電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)計了將遠程與短距離無線通信相融合的通信方案，即基于ZigBee與GPRS融合的監(jiān)控系統(tǒng)。

上述研究對本課題的研究具有重要的借鑒作用，但未實現(xiàn)全無線方式的遠程在線實時監(jiān)測系統(tǒng)在礦井提升設(shè)備方面的應用。本系統(tǒng)旨在利用ZigBee和GPRS技術(shù)實現(xiàn)對礦井提升設(shè)備進行全無線方式的遠程狀態(tài)監(jiān)測，這種數(shù)據(jù)傳輸方式避免了煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境惡劣以及有線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定等劣勢，提高了整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，可以穩(wěn)定、實時地將煤礦生產(chǎn)過程中礦井提升設(shè)備運行狀況的各項數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)高效存儲，方便技術(shù)人員進一步對設(shè)備的運行狀態(tài)進行評估和有效的故障診斷，對后期煤礦生產(chǎn)過程的提升設(shè)備保養(yǎng)和檢修提供更加準確的指導。

2 礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架及功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)將 ZigBee 和 GPRS 技術(shù)結(jié)合起來，利用了ZigBee短距離、功耗低以及GPRS網(wǎng)絡通信覆蓋區(qū)域廣的優(yōu)勢組建了礦井提升設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其整體框架如圖1所示。

圖1 礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體框架

現(xiàn)場監(jiān)測站通過安裝在礦井提升設(shè)備監(jiān)測部位的傳感器節(jié)點組成的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于現(xiàn)場服務器中，之后將相關(guān)數(shù)據(jù)以系統(tǒng)約定的格式調(diào)至服務器串口，并通過與服務器串口相連的GPRS模塊傳輸至遠程數(shù)據(jù)中心。遠程數(shù)據(jù)中心完成數(shù)據(jù)包的接收、處理、顯示和存儲。實時數(shù)據(jù)能夠成功存儲于數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫意味著整個無線傳輸系統(tǒng)的任務完成。根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計，確定本系統(tǒng)功能通過以下3個主要部分實現(xiàn)：現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡近距離監(jiān)測和數(shù)據(jù)提取部分，GPRS遠程無線傳輸部分，數(shù)據(jù)接收、后續(xù)處理及存儲部分。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能為：一是利用ZigBee短程無線傳感網(wǎng)絡將礦井提升設(shè)備的各項運行數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)男问絺魉徒o現(xiàn)場的服務器；二是從現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫提取特征數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡打包傳輸至遠程數(shù)據(jù)中心；三是配套的軟件能對傳輸回來的數(shù)據(jù)進行展示分析及高效率存儲，并且能夠?qū)υO(shè)備運行異常狀態(tài)作報警指示。礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計流程

3 礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件及節(jié)點功能設(shè)計

3.1 現(xiàn)場傳感網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)計

傳感網(wǎng)絡的目的是采集提升設(shè)備的各項運行數(shù)據(jù)并且能夠傳送給現(xiàn)場的服務器，將 ZigBee節(jié)點安裝在需要監(jiān)測的設(shè)備關(guān)鍵部位，各節(jié)點能夠自主形成監(jiān)控網(wǎng)絡。單獨的節(jié)點能夠通過各類傳感器采集溫度、速度以及加速度等各種信號，終端節(jié)點將各類信號通過協(xié)議棧匯總發(fā)射到ZigBee網(wǎng)絡中作為協(xié)調(diào)器一端。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口通信的方式將設(shè)備運行參數(shù)信息發(fā)送給PC機確保能夠通過圖形化軟件進行動態(tài)顯示。本系統(tǒng)選擇了WeBee團隊的Zigbee模塊(CC2530F256)，該模塊具有高性能、低功耗的 8051 微控制器內(nèi)核。該芯片在內(nèi)置高性能低功耗的8051微控制器內(nèi)核的基礎(chǔ)上整合了ZigBee射頻前端和內(nèi)存，具有256 KB可編程閃存和8 KB的SRAM、1個通用的 16 位和1個8位定時器、高級加密協(xié)議的安全協(xié)同處理器以及21個可通用I/O引腳。另外還具有封裝體積小、功耗低的優(yōu)點。

3.2 GPRS網(wǎng)絡透傳節(jié)點設(shè)計

監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于工業(yè)現(xiàn)場服務器之后需要將其通過特定的格式打包然后利用GPRS模塊通過GSM/GPRS網(wǎng)絡傳送到遠程數(shù)據(jù)中心，GPRS模塊主要負責數(shù)據(jù)傳輸，GPRS節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3所示。

現(xiàn)場的服務器是通過串口與GPRS模塊相連的。本系統(tǒng)GPRS模塊選擇了有人物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)的RS232+485串口轉(zhuǎn)GPRS DTU GSM，具體型號為USR-GPRS730，四頻全球通用，支持GSM/GPRS網(wǎng)絡，支持2G/3G/4G手機卡。該模塊自帶RS232和RS484串口，集成功能強大，配置4 KB的數(shù)據(jù)緩存，網(wǎng)絡連接異常時可以保證緩存數(shù)據(jù)不丟失，工作模式多樣(網(wǎng)絡透傳、短信透傳等)，應用靈活。DTU匹配遠程數(shù)據(jù)中心服務器的IP地址和端口號，利用Socket模式進行數(shù)據(jù)的傳輸，支持四個網(wǎng)絡連接同時在線，支持TCP和UDP。選擇GPRS網(wǎng)絡覆蓋更廣的中國移動SIM卡為模塊提供移動數(shù)據(jù)服務。

圖3 GPRS節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸方式

4 礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

整個系統(tǒng)的配套軟件基于之前的系統(tǒng)框架而設(shè)計，主要包括感知層軟件、網(wǎng)絡層軟件、應用層軟件，感知層的軟件主要功能是ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和處理，網(wǎng)絡層軟件的主要功能主要是ZigBee節(jié)點近距離及GPRS模塊遠程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送和接收，應用層軟件的主要功能是提升設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和顯示、異常報警等。礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 礦井提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測軟件設(shè)計流程

4.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)提取

提升現(xiàn)場ZigBee節(jié)點組建的短距離無線傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)程序是在ZigBee協(xié)議棧下， 采用相配套的IAR軟件進行編寫完成的。在IAR 8.10環(huán)境下利用注釋后的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)，方便ZigBee組網(wǎng)開發(fā)直接在對應的工程文件上進行修改，得到本研究需要的程序。然后將編寫好的現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送程序及數(shù)據(jù)接收程序?qū)螺d到ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器的核心板上。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡組建流程如圖5所示。

圖5 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡組建流程

提升現(xiàn)場無線傳感網(wǎng)絡將各項數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場服務器的數(shù)據(jù)庫中之后需要進行提取，打包傳送給GPRS模塊才能進行下一步的網(wǎng)絡透傳。利用VB語言編寫運行數(shù)據(jù)提取軟件，采用模塊化設(shè)計和通用的數(shù)據(jù)庫接口程序，利用了VB6.0中的ADO控件保證與SQL Sever的動態(tài)穩(wěn)定連接。利用timer控件保證提取的數(shù)據(jù)具有同步性不會嚴重滯后，還能確?，F(xiàn)場采集到的運行數(shù)據(jù)可以通過GPRS模塊同步地發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心。另外，在數(shù)據(jù)異常或者超過安全限定時能夠觸發(fā)報警系統(tǒng)及時向數(shù)據(jù)中心發(fā)送警報信息，方便專業(yè)人員對生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備運行狀況進行緊急異常分析和臨時調(diào)度。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6 ZigBee終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)流程

4.3 GPRS無線傳輸部分

GPRS傳輸部分使用了有人物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)的USR-GPRS 730模塊，可以通過自帶的串口調(diào)試助手V2.2進行串口的設(shè)置與調(diào)試。在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)透傳模式下，現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫可以通過串口和該模塊連接然后發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡上指定的服務器。并且模塊也可以接收來自服務器的數(shù)據(jù)，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)至串口設(shè)備，即該DTU能夠進行雙向網(wǎng)絡透傳。GPRS節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖7所示。

4.4 數(shù)據(jù)接收、處理部分

數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接收監(jiān)測軟件同樣是利用控件豐富且開發(fā)性好的VB語言開發(fā)，利用VB 6.0編寫完成的數(shù)據(jù)接收軟件可以接收GPRS模塊傳輸回來的數(shù)據(jù)，并且能夠以圖表和數(shù)據(jù)欄的方式進行顯示。通過監(jiān)測軟件我們可以看到數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備運行狀態(tài)是否正常。監(jiān)測軟件在啟動后會將接收到的數(shù)據(jù)自動存儲到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫中。另外，系統(tǒng)選擇的GPRS模塊可以通過短信AT指令使用短信的方式去查詢和配置模塊的參數(shù)，并且可以利用短信AT指令對GPRS模塊進行遠程參數(shù)設(shè)置，即該平臺實現(xiàn)了對GPRS模塊的遠程控制和參數(shù)配置。為了方便后期對數(shù)據(jù)的分析和設(shè)備故障診斷將SQL Sever數(shù)據(jù)庫作為提升設(shè)備運行參數(shù)的存儲工具，并且設(shè)置存儲方式為成功建立監(jiān)測網(wǎng)絡的情況下的自動存儲。GPRS節(jié)點數(shù)據(jù)接收流程如圖8所示。

圖7 GPRS節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流程

圖8 GPRS節(jié)點數(shù)據(jù)接收流程

5 實驗測試及結(jié)果分析

為了驗證首次應用在礦井提升設(shè)備中的全無線方式的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的準確性以及可靠性，搭建了2JTP-1.2型提升機作為改系統(tǒng)穩(wěn)定性測試實驗臺。將ZigBee節(jié)點分別與與提升機閥口處的壓力傳感器、制動器上的位移傳感器連接組成感知層的下層無線傳感網(wǎng)絡即ZigBee終端節(jié)點，然后將ZigBee節(jié)點通過串口與現(xiàn)場監(jiān)測工控機連接作為無線傳感網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器，GPRS模塊通過串口連接到監(jiān)測現(xiàn)場的服務器完成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡層搭建，安裝在遠程的數(shù)據(jù)中心的礦井提升設(shè)備運行數(shù)據(jù)接收、顯示、處理、存儲軟件作為系統(tǒng)的應用層。測試成功后部分軟件界面如圖9所示。

由圖9可以看出，遠程的數(shù)據(jù)中心能夠接收到由試驗測試平臺現(xiàn)場服務器通過GPRS無線網(wǎng)絡傳輸回來的各項提升機運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r、動態(tài)地展示各項數(shù)據(jù)，并且對異常的數(shù)據(jù)進行報警。同時對安裝在數(shù)據(jù)中心的SQL Sever進行遠程傳送回來的數(shù)據(jù)查詢，能夠找到存儲路徑，達成了數(shù)據(jù)提取、存儲的設(shè)計要求。另外，由于采用通用的數(shù)據(jù)庫接口程序，使得系統(tǒng)移植性較好。與傳統(tǒng)的提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)首次實現(xiàn)了全無線形式的遠程狀態(tài)監(jiān)測，工作人員和專家可以遠程對設(shè)備的運行狀態(tài)進行評估和故障診斷，克服了礦區(qū)生產(chǎn)環(huán)境惡劣、布線難度大、成本高等難題，同時增強了監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，對于礦區(qū)的安全生產(chǎn)意義重大。

6 結(jié)語

基于ZigBee及GPRS技術(shù)互補的的全無線形式的礦井提升設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括“一近一遠”兩部分的無線數(shù)據(jù)傳輸模式，其中由C2530集成的ZigBee節(jié)點完成提升設(shè)備運行數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸，由GPRS模塊完成數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS/GSM網(wǎng)絡傳到遠程數(shù)據(jù)中心的遠距離無線傳輸。既克服了礦區(qū)地理環(huán)境惡劣、GPRS網(wǎng)絡覆蓋不到的難題，又解決了ZigBee節(jié)點組建的無線傳感網(wǎng)絡只能近距離傳輸?shù)谋锥恕３酥?，設(shè)計的配套軟件搭配系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)運行情況良好。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)易搭建、可擴展性強。通過具體的實驗測試表明，ZigBee節(jié)點能夠可靠的采集到礦井提升設(shè)備相關(guān)運行數(shù)據(jù)，通過ZigBee結(jié)合GPRS的全無線網(wǎng)絡穩(wěn)定地傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)中心，并進行圖形顯示和利用SQL Sever存儲數(shù)據(jù)。同時該系統(tǒng)進行功能設(shè)計時采用的是通用的數(shù)據(jù)庫接口程序，對于其他工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)測具有較強的移植性，具有較大的推廣及應用價值。

圖9 測試成功后部分軟件界面