选煤厂点检系统网关节点设计

王振尧,朱中波 (中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221 008)

刘卫东 中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008 兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿,山东兖州272102

选煤厂的条件恶劣,声音嘈杂,各个传送皮带电机分布复杂。如果采用人为定期检测的方法来获得电机的振动信号,得到的数据没有实时性,而且工作难度非常大。若通过采用无线传感器网络,把振动传感器采集的数据通过无线的方式发送到以太网接入点,再将数据的格式转换成符合以太网的数据包格式上传到有线控制网络,供上位机作相应的处理,这便形成了一个完整的监控系统[1]。煤矿产业在进行数据共享以及数据传输时采用工业以太网,而无线传感器网络的信息采集以及收发数据是基于无线短程网的主流协议IEEE802.15.4来进行的[2]。在选煤厂的建筑中,无线传感器的节点多,传输的数据量(振动数据)很大,再加上多点传输的影响,必然会使无线接入点的工作量很大,如何最大限度的提高无线接入点的性能,能最大化的反应整个选煤厂的客观环境成为关键问题。为此,笔者对选煤厂点检系统网关节点进行设计。

1 网络拓扑设计

在选煤厂的无线传感器网络中,节点部署在被感知的电机外壳上,上述节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式采集和处理网络覆盖区域中的电机振动信号,实现对电机振动情况实时的采集、处理和分析。无线传感器网络结构包括分布式传感器节点、Sink节点、交换机、地面环网、调度指挥中心和用户界面 (见图1),其中各个车间的传感器节点采用星形的无线网络拓扑结构,振动传感器采用 ADXL202进行振动信号的采集,无线收发模块采用CC1100进行数据收发,通过51单片机把采集的信号数据提供给收发模块,然后通过多跳的方式把数据通过路由节点把数据传输给Sink节点,完成无线采集的部分。

图1 监控系统

2 网关节点设计

2.1 硬件设计

网关是建立在传输层以上的协议转换器,通常连接2个或多个相互独立的网络。考虑到节点的通信能力有限 (数据速率仅为250kbps),为了减少网关协议转换自身的工作量,该网关选择了一款集成Ethernet接口的ARM芯片来完成硬件系统的搭建[3]。

网关硬件结构如图2所示,其由内部集成以太网MAC的ARM7处理器 W90N745CDG、射频收发模块CC1101、以太网收发芯片 (PHY)RTL8201、大容量DataFlash存储卡片S29AL016D70TF102等模块组成。

W90N745CDG作为硬件系统的主控芯片,片内集成Flash、USB、CAN、以太网MAC等接口的高性能ARM7 SOC[4]。

收发芯片CC1100是一款低成本单片UHF收发器,功耗低,体积小,使用简单,操作灵活。CC1100最高工作速率达500kbps,支持2-FSK,GFSK和MSK调制方式[5-6]。CC1100的内部结构框图如图3所示。

图2 网关硬件结构

图3 CC1100内部结构

以太网PHY层芯片采用的是RT L8201BL。RT L8201BL是一个单端口的物理层收发器,可实现10/100M以太网物理层的全部功能。

S29AL016D70TF102是一款16Mb、只支持3.0V的闪存,包含2097152bytes或者1048576words。

在TCP/IP协议中,以太网的数据传输使用硬件地址 (MAC)来进行识别,其中ARP(地址解析协议)完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换,因而为了保证网关在以太网中的通信,首先要实现ARP协议的功能。协议转换的工作原理如图4所示。以太网向无线节点信息转换方式过程如下:①信息输入端从网络接口接收一个正常发往接入点的IP数据包,简单判断后向上发给对应的 UDP或TCP处理函数进行相应处理,然后向上发给网关应用程序处理。②网关应用程序经过简单分析后,确定要转发给传感器网络中的哪个节点,通过ARP解析出该节点的MAC地址,再将相应数据包成功交至该节点。③节点向Ethernet端转换。

图4 协议转换工作原理图

2.2 软件设计

Linux操作系统应用于多种硬件平台,具有良好的移植性、高可靠性、完备的文件系统以及丰富的API等特点,为嵌入式网关提供强大的软件支持[7]。因此,选择Linux作为嵌入式网关的操作系统。

选煤厂监控系统采用CC1101收发模块来做Sink节点,接受各个路由节点传送来的振动信号数据。网关采用ARM单片机进行协议转换,将感应器、检测器、计算机等工业设备的RS-232串口信号与以太网络信号相互转换。Sink节点与网关组成了一个接入点,接入点的输入端是无限的收发模块,输出端是一个以太网RJ-45接口。这便是一个串口转以太网口的协议转换工具,该设备可以直接通过以太网接口与计算机直接相连,或者通过交换机连接到地面环网再与计算机通信。网关节点主程序流程图如图5所示。

图5 网关节点主程序流程图

3 测试结果分析

使用Matlab产生一段音乐再外接硬件喇叭,把振动传感器附着在喇叭上,然后对通过传感器采集到的数据进行分析。由于振动传感器采集到的是振动信号分解到X轴和Y轴的数据,所以求X轴和Y轴的数据平方根就可以还原原始振动的信号。上位机软件接收到的信息界面如图6所示。图6显示了接收一个节点的数据,该数据中包含振动的X轴与Y轴数据。取X轴与Y轴数据的平方根,这个平方根就是振动的幅值。把这个幅值在 Matlab中仿真就可以得到传感器采集到的音乐的时域波形和频域波形 (见图7)。从图7(b)可以看出,音乐信号的主频率出现在500～700Hz之间,这说明网关采集到的振动信号是正确的。

图6 信息接收界面

图7 振动信号的Matlab仿真

4 结 语

对选煤厂点检系统网关节点进行设计,该网关节点可以同时接收4个路由节点发送的数据,这为选煤厂的节点放置提供了比较充分的空间。测试结果表明,该网关具有效率高、响应实时、可靠性高、功耗低和抗干扰能力强等特点,且在 “无线传感器网络在煤矿选煤厂中的应用”项目中得以使用,因而该设计具有可行性。

[1]孙利民,李建中.无线传感器网络 [M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]王文君,胡国珍.工业以太网及其无线接入技术的研究[J].工业控制计算,2008,21(1):23-24.

[3]崔光照,陈富强.基于ARM9的无线传感器网络网关节点设计 [J].计算机技术与应用,2008(11):115-118.

[4]牛永超,马孝义.基于CC1100的温室温湿度检测系统 [J].农机化研究,2009(8):91-92.

[5]邓专,陈维,王春麟.射频收发芯片CC1100及其应用 [J].机械工程与自动化,2007,145(6):168-168.

[6]吴常明,苏小龙.基于A RM9嵌入式网关的设计 [J].大众科技,2010(7):13-14.