礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究

秦 寧

（山西忻州神達(dá)南岔煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036700）

目前礦井通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)普遍通過電纜進(jìn)行傳輸，但在部分礦井工作面難以實現(xiàn)，尤其是在惡劣的礦井環(huán)境中，無法滿足部分地域的有線傳輸。由于礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測參數(shù)數(shù)量較大，監(jiān)測節(jié)點分布廣泛，特別需要設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的條件監(jiān)測系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以消除傳統(tǒng)電纜之間傳輸?shù)牟槐?。該系統(tǒng)旨在監(jiān)測礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，并提前進(jìn)行預(yù)警。它基本上分為兩部分，即硬件和軟件，硬件由1 個接收器節(jié)點、傳感器節(jié)點、工業(yè)個人計算機(jī)和幾個傳感器組成；軟件包括ZigBee 協(xié)議堆棧和組態(tài)軟件。節(jié)點的堆棧是TI 的Z-堆棧，主芯片是TI 的CC2430[1]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計

本次設(shè)計的礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測和報警系統(tǒng)可收集或計算礦井通風(fēng)機(jī)的振動、溫度、負(fù)壓、風(fēng)量等數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)由1 個工業(yè)個人計算機(jī)、1 個沉槽節(jié)點、多個傳感器節(jié)點、至少4 個溫度傳感器、2 個振動傳感器和1 個壓力傳感器組成。其中，傳感器節(jié)點通過ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與接收器節(jié)點進(jìn)行通信，接收器節(jié)點通過串口與電腦上的配置軟件進(jìn)行連接。

圖1 為監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖。一個ZigBee 星形網(wǎng)絡(luò)由1 個接收節(jié)點和傳感器節(jié)點共同建立起來，接收器節(jié)點負(fù)責(zé)接收來自每個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X上的監(jiān)控和報警系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)用于實時監(jiān)測、報警等，其中包含1 臺工業(yè)個人電腦、2 個接收節(jié)點、3 個傳感器節(jié)點、4 個溫度傳感器、5 個壓力傳感器、6 個振動傳感器[2]。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

1.2 接收器節(jié)點的設(shè)計

接收器節(jié)點由電源模塊、串行模塊、CC2430 模塊和其他組件組成。CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS 解決方案，它是專門為IEEE802.15.4 和ZigBee 應(yīng)用程序定制的[3]。CC2430 結(jié)合了領(lǐng)先的CC2420 射頻收發(fā)器的卓越性能以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)的8051MCU、32/64/128KB 閃存、8KBRAM 和許多其他強(qiáng)大的功能，并與業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee 協(xié)議棧（Z-Stack）相結(jié)合。CC2430 工作電壓為3～3.3 V，因此，電壓轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)將電壓從5 V 降至3.3 V，采用5 V 交流/ 直流電源適配器。串行端口模塊由MAX3232E 和外圍電路組成。考慮到距離因素，還設(shè)計了MAX485 電路，使接收節(jié)點與PC 之間的距離擴(kuò)展到1 200 m 以上，提高了系統(tǒng)的可操作性。

1.3 傳感器節(jié)點的設(shè)計

傳感器節(jié)點由傳感器節(jié)點主芯片CC2430 模塊（見圖2）、關(guān)鍵控制模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、外部傳感器接口模塊、溫度測量的橋接電路、I/V 轉(zhuǎn)換電路和天線接口組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)[4]。

圖2 CC2430 芯片模塊

由于該系統(tǒng)需要實時監(jiān)測，特別是振動和壓力傳感器需要24 V 直流電源，因此傳感器節(jié)點采用24 V 直流供電。24 V 直流電源的好處是不需要考慮低功率設(shè)計和電源管理。在功率轉(zhuǎn)換模塊中，選擇直流/直流電源模塊BSD5-24D15，其輸入電壓為18～36V，輸出電壓為±15 V，輸出電壓精度為±1%。因此，BSD5-24D15 能夠滿足各種類型芯片的功率需求。橋接電路負(fù)責(zé)將PT100 溫度傳感器的電阻輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，以測量溫度[5]。

由于CC2430 只能采集電壓信號，因此必須將振動電流輸出信號、壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號。于是，設(shè)計了調(diào)節(jié)電路，將4～20 mA 的電流信號轉(zhuǎn)換為0～3 V 的電壓信號，用于CC2430 采樣。4～20 mA電流信號的調(diào)節(jié)電路如圖3 所示，該電路由運(yùn)算放大器LM324 和其它部件組成[6]。在圖3 中，P1 是傳感器的電流輸出信號的接口；P3 和P4 是電位計；CC2430 的P0.2 用于采集信號。為獲取傳感器節(jié)點的多功能性，對每個節(jié)點進(jìn)行了可收集2 個溫度信號和2 個4～20 mA 信號的設(shè)計。

圖3 4～20 mA 電流信號的調(diào)節(jié)電路

2 通信協(xié)議的應(yīng)用

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境為IAREW7.30，協(xié)議棧為TI 的ZStack。Z-堆棧的系統(tǒng)流程如圖4 所示。Z-堆棧的主要工作過程可分為系統(tǒng)啟動、禁用所有中斷、驅(qū)動程序初始化、OSAL 初始化和啟動、輪詢?nèi)蝿?wù)等多個階段。執(zhí)行操作系統(tǒng)時，按優(yōu)先級檢查每個任務(wù)的準(zhǔn)備情況，如果某些任務(wù)已準(zhǔn)備就緒，OSAL 將調(diào)用相應(yīng)的事件處理程序來處理該事件，直到輪詢并執(zhí)行所有準(zhǔn)備就緒的任務(wù)為止。

圖4 Z-堆棧的系統(tǒng)流程示意圖

根據(jù)IEEE802.15.4 和ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)，將Z-Stack分為以下幾層：API（應(yīng)用程序編程接口）、HAL（硬件抽象層）、MAC（媒體Access 控件）、NWK（ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層）、OSAL（操作系統(tǒng)抽象系統(tǒng)）、安全、服務(wù)、ZDO（ZigBee 設(shè)備對象）。其中，Z-Stack 通過TI 創(chuàng)建了HAL、MAC、NWK、OSAL、安全、服務(wù)和ZDO 層。用戶無需修改這些功能，只需要創(chuàng)建API 層的自定義任務(wù)和事件處理程序即可。

Z-Stack 按任務(wù)輪詢事件構(gòu)成了“事件—任務(wù)—操作系統(tǒng)”的這樣一種調(diào)度機(jī)制，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度多項任務(wù)，每個任務(wù)都包含多個事件。添加新任務(wù)的三個修改步驟如下：向任務(wù)初始化功能添加新任務(wù)osalInitTasks（）；向新任務(wù)中添加多個事件；為每個新創(chuàng)建的用戶的任務(wù)添加兩個相關(guān)的處理程序，即初始化處理程序和事件處理程序：APP_Init（）、APP_ProcessEvent（）。

3 監(jiān)控軟件開發(fā)

此外，還需要設(shè)計一個監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況和實現(xiàn)異常行為報警的監(jiān)控軟件。該軟件包括以下功能：實時顯示每個節(jié)點的數(shù)據(jù)；顯示傳感器節(jié)點的實時信號曲線和歷史趨勢曲線；參數(shù)設(shè)置，包括報警限制等；報警、報告生成和報告查詢；數(shù)據(jù)庫管理。

選用KingView6.53 作為礦井通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)平臺，由北京井控技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)。通過該系統(tǒng)可監(jiān)控礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，也可實現(xiàn)異常行為報警。礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控軟件的主界面如圖5 所示。礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以動畫形式顯示，運(yùn)行工況點可參照氣壓與壓力的關(guān)系曲線獲得，監(jiān)測參數(shù)則參照監(jiān)測表。這些模型真實地反映了礦井通風(fēng)機(jī)的實時運(yùn)行條件。

圖5 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控主界面示意圖

4 KingView 與接收器節(jié)點之間的通信程序

由于KingView 沒有CC2430 的驅(qū)動程序，因此需要根據(jù)所選的芯片來開發(fā)該驅(qū)動程序。一般通過以下三種方法來實現(xiàn)通信：用戶可以通過KingView驅(qū)動程序開發(fā)包開發(fā)自己的通信驅(qū)動程序，本方法適合專業(yè)制造商；用戶可以通過DDE 手段進(jìn)行通信，但該方法更復(fù)雜，不太實時；而KingView 提供了通用通信協(xié)議，具有相對簡單、通信良好且實時的特點。因此，本文采用了第三種方法。

首先需要設(shè)置通信端口的參數(shù)，然后根據(jù)通用通信協(xié)議的格式來定義KingView 中的設(shè)備地址和寄存器。本文采用C 語言的ASCII 代碼設(shè)計。

根據(jù)通用通信協(xié)議，當(dāng)KingView 讀取數(shù)據(jù)時，如果讀取正常，CC2430 為格式1，否則CC2430 為格式2。同時將環(huán)境參數(shù)變化情況以有數(shù)據(jù)編譯的形式，通過曲線圖形展示給后臺的技術(shù)管理人員，以對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，從而有效地對礦井通風(fēng)機(jī)的實時運(yùn)行情況進(jìn)行了展示，如圖6 所示為環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)曲線的監(jiān)測示意圖。

圖6 環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)曲線的監(jiān)測示意圖

5 結(jié)語

礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計具有以下特點：1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，保證高效安全生產(chǎn)。

2）可收集或計算礦井通風(fēng)機(jī)的振動、溫度、負(fù)壓、風(fēng)量等信息，可通過這些參數(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，還提供了通風(fēng)機(jī)潛在故障的最原始的信息。

3）系統(tǒng)解決了當(dāng)下難以實現(xiàn)、傳統(tǒng)電纜傳輸系統(tǒng)擴(kuò)展較差等問題。

4）該系統(tǒng)節(jié)點的制造成本較低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。