基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

馮曉劍

(山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300)

0 引言

隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，我國(guó)對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，其中煤炭是我國(guó)消耗量最大的一次能源，約占能源消費(fèi)總量的70%。因此煤炭產(chǎn)業(yè)的高效與安全對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展大幅提高了煤礦機(jī)械化程度，使得礦井的生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，但機(jī)械化設(shè)備突然發(fā)生故障或損壞時(shí)，將對(duì)煤礦企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失并對(duì)工作人員的人身安全造成威脅。井下復(fù)雜惡劣的環(huán)境意味著煤礦產(chǎn)業(yè)的高危險(xiǎn)性，采煤機(jī)極易出現(xiàn)故障或損壞，因此本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于無線網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)檢測(cè)出采煤機(jī)的故障狀態(tài)，快速消除或預(yù)防故障，從而提高采煤機(jī)的使用壽命和可靠性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)技術(shù)最初在20世紀(jì)70年代被應(yīng)用于軍用設(shè)備，美國(guó)空軍基于該技術(shù)發(fā)明了一種空中報(bào)警設(shè)備，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。1980年，美國(guó)研究機(jī)構(gòu)DAPRA設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)連接形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

近年來，國(guó)外對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究取得了較大進(jìn)展，例如澳大利亞學(xué)者開發(fā)了一種可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的無線傳感器，提高了無線通信距離；泰國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)了基于無線傳感器的定位系統(tǒng)，使得定位誤差進(jìn)一步減小。我國(guó)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也取得了一定成果，如中科院開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息監(jiān)控系統(tǒng)；西南交大設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)多且密度大、分布式結(jié)構(gòu)、自動(dòng)組網(wǎng)及無需布線等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于礦井復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備的監(jiān)測(cè)。

ZigBee技術(shù)是用于組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)技術(shù)，具有延時(shí)短、成本低、功率損耗小、穩(wěn)定性高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，已成為近年來的研究熱點(diǎn)，因此本文采用ZigBee技術(shù)組建采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求與總體設(shè)計(jì)

2.1 采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

因礦井下工作環(huán)境較為惡劣，要準(zhǔn)確并穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需滿足以下幾個(gè)要求：

(1)體積?。翰擅簷C(jī)在礦井綜采工作面運(yùn)行時(shí)，機(jī)械部件易與外部土壤、石塊等發(fā)生碰撞，因此應(yīng)避免監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在易與外部摩擦發(fā)生故障或損壞的位置，同時(shí)應(yīng)滿足方便監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的要求，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)足夠小。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，本文設(shè)計(jì)的采煤機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備的尺寸不大于80 mm×60 mm×60 mm。

(2)功率損耗?。罕O(jiān)測(cè)設(shè)備一旦被安裝在采煤機(jī)上后應(yīng)避免頻繁拆卸，因此應(yīng)選擇耗電量低的元件，同時(shí)應(yīng)盡量降低采樣信號(hào)的傳輸頻率。

(3)易擴(kuò)展：目前所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)位置較少，考慮到未來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是礦井的全面監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力。

(4)成本低：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大，因此成本問題不可忽略。在監(jiān)控系統(tǒng)可快速與穩(wěn)定地對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的前提下，應(yīng)盡量通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的功能，并優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)從而降低整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)成本。

2.2 采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采煤機(jī)需要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)信息主要是其工作過程中的溫度與振動(dòng)頻率，一旦溫度超標(biāo)或振動(dòng)頻率不在正常范圍時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能快速判斷出故障情況并進(jìn)行報(bào)警。本文基于采煤機(jī)的設(shè)備特點(diǎn)與礦井工作環(huán)境，對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，為縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分為采樣與監(jiān)測(cè)兩個(gè)部分。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由機(jī)器狀態(tài)數(shù)據(jù)采樣模塊(傳感器節(jié)點(diǎn))、數(shù)據(jù)傳輸模塊(匯聚節(jié)點(diǎn))、監(jiān)控上位機(jī)(管理節(jié)點(diǎn))構(gòu)成。圖1為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

采煤機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)采樣模塊由溫度傳感器與振動(dòng)傳感器對(duì)采煤機(jī)工作時(shí)的溫度與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，傳感器可對(duì)采煤機(jī)上多個(gè)位置進(jìn)行溫度和振動(dòng)頻率采樣，數(shù)據(jù)傳輸模塊則以無線通信的方式將采樣得到的信號(hào)傳送至監(jiān)控上位機(jī)，最終由上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析以判斷采煤機(jī)是否發(fā)生故障。

3 采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩種功能不同的設(shè)備組成，即協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器通過創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)MODE_HARD實(shí)現(xiàn)初始化，終端設(shè)備則通過鏈接模式MODE_JOIN啟動(dòng)；若設(shè)備已處于在線狀態(tài)，則設(shè)備狀態(tài)為MODE_RESUME；若設(shè)備掉線重連，則網(wǎng)絡(luò)名應(yīng)為MODE_REJOIN。

無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有以下兩個(gè)步驟：

(1)協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，可認(rèn)為其是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大腦。首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行格式化，再進(jìn)行初始化和分配網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層NWK給每個(gè)終端設(shè)備分配唯一的IP地址，從而區(qū)分不同的終端設(shè)備。

(2)將終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無需路由器的星型連接方式，便于維護(hù)與修理。終端設(shè)備上電后，首先對(duì)其進(jìn)行格式化，然后搜索網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)；申請(qǐng)發(fā)出后，協(xié)調(diào)器接收到此申請(qǐng)，向終端設(shè)備反饋允許信息，終端設(shè)備接收到此信息后即可加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2 數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

無線通信技術(shù)的成熟使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用，采煤機(jī)中需測(cè)量的數(shù)據(jù)首先需通過傳感器采樣和處理得到可分析的信號(hào)。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)傳輸與上位機(jī)監(jiān)測(cè)3部分組成。不同類型的數(shù)據(jù)均由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行采樣處理和傳輸，如溫度與振動(dòng)頻率的數(shù)據(jù)分別由溫度傳感器DS18B20和加速傳感器ADXL345采樣得到，再通過編程將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)。

數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)程序主要包括微處理器的初始化程序、溫度數(shù)據(jù)的采樣程序及振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣程序。本文采用的微處理器為MSP430，要對(duì)其進(jìn)行初始化，首先需對(duì)微處理器進(jìn)行格式化，關(guān)閉看門狗程序，對(duì)寄存器選擇外部時(shí)鐘源，將24 MHz頻率的晶振作為主時(shí)鐘和子時(shí)鐘，32 768 Hz的晶振作為輔助時(shí)鐘；隨后對(duì)I/O接口與通訊初始化，選擇對(duì)應(yīng)的寄存器設(shè)置I/O接口狀態(tài)、輸入輸出方向，并設(shè)置采樣率、程序執(zhí)行位置及終止位置等。圖2為MSP430微處理器的初始化流程。

圖2 微處理器初始化流程圖

通過溫度傳感器的DQ引腳與微處理器的P10.6引腳連接，從而實(shí)現(xiàn)溫度的采樣與控制。在向溫度傳感器發(fā)送控制信號(hào)前，需得到其時(shí)序圖，才能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的控制。微處理器與傳感器之間的傳輸分為4步，即復(fù)位、ROM運(yùn)行指令、RAM存儲(chǔ)器運(yùn)行指令及信號(hào)處理。振動(dòng)數(shù)據(jù)的采樣與溫度數(shù)據(jù)采樣的步驟一樣，也需得到加速傳感器ADXL345的時(shí)序圖，以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)頻率的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，本文將其應(yīng)用于采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于降低采煤機(jī)的事故率并提高煤礦的生產(chǎn)效率。