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基于ZigBee的矿井通风机在线监测系统设计
2014年微型机与应用第10期
张洪全,刘 鑫,张子红
黑龙江科技大学 电子与信息工程学院,黑龙江 哈尔滨
摘要: 通风机是煤矿生产中的关键设备之一,担负着排出有害气体、向井下输送新鲜空气、保障矿井安全生产的重要任务[1]。然而风机由于功率大、耗电量大,并且长期处于连续运转的状态,发生故障的概率是非常大的,一旦风机的运行情况出现问题,就会对井下人员生命和国家财产造成不可估量的损失[2]。目前已经有很多比较成熟的煤矿通风机监测系统,但这些传统的监测系统大多采用有线的组网方式,而矿井现场杂乱、环境恶劣,而通风机所需监测的节点和参数众多且分布分散,这在有些矿井现场存在实施困难、信号干扰严重等问题,容易导致系统数据传输的可靠性和实时性差,难以实现监测数据的有效传输和预警。无线传感器网络具有功耗低、成本低、放置灵活和自组织的特点[3-4],为矿井通风机在线监测开辟了新途径。本文针对传统监测方式存在的不足,结合监测区域的工作环境,设计了基于ZigBee技术的矿井通风机在线监测系统
Abstract:
Key words :

  摘  要: 针对煤矿井下工作环境复杂、传统的有线监测系统存在布线复杂及数据传输可靠性不高等问题,提出了一种基于ZigBee无线传感器网络的矿井通风机在线监测系统。该系统以CC2430为主控芯片,采用ZigBee技术实现了对矿井通风机的实时监控,功耗低、成本低廉,具有良好的实用价值和发展前景。

  关键词: ZigBee;无线传感器网络;在线监测

  通风机是煤矿生产中的关键设备之一,担负着排出有害气体、向井下输送新鲜空气、保障矿井安全生产的重要任务[1]。然而风机由于功率大、耗电量大,并且长期处于连续运转的状态,发生故障的概率是非常大的,一旦风机的运行情况出现问题,就会对井下人员生命和国家财产造成不可估量的损失[2]。目前已经有很多比较成熟的煤矿通风机监测系统,但这些传统的监测系统大多采用有线的组网方式,而矿井现场杂乱、环境恶劣,而通风机所需监测的节点和参数众多且分布分散,这在有些矿井现场存在实施困难、信号干扰严重等问题,容易导致系统数据传输的可靠性和实时性差,难以实现监测数据的有效传输和预警。无线传感器网络具有功耗低、成本低、放置灵活和自组织的特点[3-4],为矿井通风机在线监测开辟了新途径。本文针对传统监测方式存在的不足,结合监测区域的工作环境,设计了基于ZigBee技术的矿井通风机在线监测系统。

  1 系统总体架构

  本系统由监测主机、一个协调器节点、多个传感器节点、风速传感器、振动传感器、负压传感器和温度传感器等组成,总体架构如图1所示。

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  监测主机和协调器节点通过串口RS-485相连,协调器节点与各个传感器节点组成了一个ZigBee无线传感器网络。协调器节点负责接收各传感器节点的数据,并将数据及时通过串口传送到监测主机进行实时显示。

  2 系统硬件设计

  2.1 传感器节点硬件设计

  传感器节点的硬件系统主要由CC2430主控芯片、数据采集模块、天线接口模块、按键控制模块和电源转换模块组成,如图2所示。

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  主控芯片采用TI公司的CC2430,该芯片延用了以往CC2420的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器;使用1个8位8051 MCU,具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM,还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合要求电池寿命非常长的应用场合[5]。

  数据采集模块主要由各种传感器组成,由于CC2430 自带模数转换功能,无需外部模数转换设计,可外接多种传感器作为终端数据采集设备,但传感器的选择需要考虑实际的工作条件,如功耗、精度、干扰性等。负压传感器选用B0300工业级微压变送器,一般用于差压、压力、负压的测量,具有使用寿命长、受动压影响小、可露天安装等优良特性。振动信号的采集选用工业加速度传感器HS-421,其输出正比于速度值和交流加速度,适宜于数据采集。温度传感器选用铂热电阻PT100,其特点是反应灵敏、测温准确度高、性能稳定。电源转换模块为系统提供电源并最大限度降低系统功耗。传感器节点采用电池供电,协调器节点采用直流电源供电。按键实现与协调器节点的通信控制及复位等功能。

  2.2 协调器节点硬件设计

  协调器节点连接传感器网络与监测主机,实现两种协议之间的通信转换,同时发出主机的监测任务,并把收集的数据转发到监测主机上。与传感器节点相同,协调器节点采用CC2430作为核心,硬件电路包括CC2430主控芯片、天线接口模块、电源转换模块、按键模块、串口模块、JTAG调试接口模块和LED指示模块,如图3所示。

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  3 系统软件设计

  3.1 传感器的软件流程

  传感器节点主要负责采集监测区域的被测参数,并将采集到的数据进行处理,经过天线接口模块将信息转发给协调器节点。当收到协调器节点的数据请求命令后才会进行相关的数据采集和发送,没有数据请求时转入休眠模式以减少能量消耗。传感器软件设计流程如图4所示。

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  3.2 协调器的软件流程

  协调器是无线传感器网络的中心节点,既负责创建网络、对网络地址进行分配、读取传感器节点发送过来的信息,又将这些信息传给监测主机并向网络中各节点下达监测主机的命令。协调器软件设计流程如图5所示。

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  3.3 监测系统软件设计

  在监测主机中,通风机运行状态监测软件使用组态王KingView6.53开发,其优点在于可视化、图形化显示,人机界面友好,对用户而言便于进行二次开发。系统主要功能包括:实时显示当前正处于运行状态的通风机状态参数并发出控制指令;对通风机运行过程中出现的超限参数实施报警并记录,方便以后查询;实时的报表输出及打印功能;历史数据查询画面能够随时查询任何时间内的数据;以曲线图形显示监测与处理的通风机运行参数。软件结构如图6所示。

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  本文提出的以CC2430为主控芯片,基于ZigBee技术的矿井通风机在线监测系统实现了对通风机状态监测数据的采集和发送,省去了传感器与监测主机之间的大量布线,大大减少了工程成本,组网简单、开销小、自组织能力强,非常适合于煤矿井下特殊的环境。ZigBee技术的应用使得矿井通风机在线监测系统更加自动化、网络化和智能化,有力地保证了通风机的安全可靠运行,为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。

  参考文献

  [1] 闫鑫,戴鹏,万紫嫣.矿井主扇风机监控系统的研究应用[J].煤矿机械,2013,34(4):237-239.

  [2] 巨广刚.我国煤矿用主通风机节能现状分析[J].矿业安全与环保,2010(6):84-86.

  [3] 任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,14(7):1282-1291.

  [4] 郑增威,吴朝晖,金水祥.无线传感器网络及其应用[J].计算机科学,2013,30(10):138-140.

  [5] 马永强,李静强,冯立营.基于ZigBee技术的射频芯片CC2430[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(3):45-47.