基于ZigBee的矿井巷道表面位移监测实验系统

2014-03-26 03:48:38冀英超程永强
实验技术与管理 2014年8期
关键词:分站总站巷道

冀英超,程永强

(太原理工大学 信息工程学院,山西 太原 030024)

实际教学中学生学习煤矿机电类专业实验课程时通常使用开发板进行学习,不能与实际工程相结合。本实验结合山西本地资源优势,以煤矿安全为背景,设计了基于ZigBee的巷道表面位移监测实验系统[1-2]。采用无线射频通信技术,通过分布在巷道中的通信分站将采集巷道表面位移数据发送至系统控制总站进行处理,达到实时监测煤矿巷道安全参数的目的。

该系统涉及模拟电路处理、数字电路设计、微机原理、射频通信、嵌入式操作系统及本质安全防爆等技术。通过实验开发使教学更具有直观性、实践性、综合性和创新性,不仅可以巩固学生学习电子技术基本的技能,促使理论知识的灵活应用,而且还可以实现理论知识与实际工程相结合,使学生在设计开发项目时不但要思考具体技术的实现,还要仔细考虑具体工程的条件及需求[3]。

1 ZigBee技术及系统原理

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术,基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。物理层定义了868~868.6 MHz、902~928 MHz和2 400~2 483.5 MHz 3个载波频段用于收发数据,数据传输速率分别为20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s,传输距离最远可达100 m,增加了发射功率增强芯片后可达几千米,可以通过网关设备与以太网、GPRS实现无缝连接,实现了低成本的实时监控及无线组网传输数据的功能[4-5]。

1.2 系统原理

矿井巷道表面位移作为矿压观测的重要内容之一,它综合反映了应力、应变、温度及各种生产要素等因素耦合后对巷道围岩的影响,也是巷道围岩发生的最为直观的形变,包括两帮相对移近量和顶板下沉量。由于不同的地质条件,巷道内一般间隔30~50 m设置一个测量断面,来设置测量基点。

基于ZigBee的矿井数据采集系统由控制总站和通信分站组成,通信分站分布于煤矿巷道中的测量断面处,系统布局如图1所示。

图1 系统布局示意图

通信分站负责采集数据,通过“线型”无线网络将采集到的数据发送至控制总站,总站对数据进行存储及处理,并能够通过数据分析对突发情况进行应急反应,对发生异常情况的通信分站进行报警,同时配有友好的人机交互界面,可以实时查询各个通信分站的历史数据,实现对巷道安全参数的实时监测。

通信分站包括2个超声波测距节点,分别测量左右帮移近量和顶板下沉量,位于顶板处的测距节点作为本测量断面的数据通信分站,用于不同测量断面之间的数据通信,同时负责顶板下沉量的数据采集。测量断面示意图如图2所示。

图2 测量断面示意图

当某个断面的通信分站(即位于顶板的测距节点)收到数据采集命令后向位于帮上的测距节点发送数据命令,位于帮上的测距节点数据采集完成后通过无线发送至本测量断面的通信分站,通信分站收到数据后与自身采集到的数据进行打包发往下一个测量断面处的通信分站。

2 系统硬件设计

2.1 控制总站硬件设计

控制总站由主控制芯片模块、通信模块、触摸屏模块、存储模块以及电源模块等五部分组成,结构框图如图3所示。

图3 控制总站结构框图

2.1.1 主控制芯片模块

控制总站采用ST公司基于ARM Cortex-M3内核STM32F103VET6作为主控制芯片,具有高性能、低成本、低功耗等特点,当时钟频率为72 MHz时,从闪存执行代码、STM32功耗36 mW,是32位处理器市场上功耗最低的产品,相当于0.5 mA/MHz[6]。同时嵌入微型嵌入式系统μC/OS,结合ucGUI实现人机交互界面。

2.1.2 通信模块

通信模块包括以太网通信模块和ZigBee射频通信模块。控制总站设有以太网标准接口,方便与计算机之间进行数据传输。采用ENC28J60芯片作为以太网控制器,与主控芯片之间接口采用SPI模式。

ZigBee通信模块采用CC2530F256,该芯片具有适应2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收发器,极高的接收灵敏度和抗干扰能力,支持低功耗模式,通过SPI接口与STM32主控芯片连接,实现主控芯片控制无线数据的收发。

2.1.3 触摸屏模块

显示屏采用127 mm(5.0英寸)带触摸功能的TFT液晶屏,驱动芯片为SSD1963,利用CPU的FSMC功能进行驱动,通过触控可以实现对系统的命令设置以及数据的查询收发等功能。

2.1.4 存储模块

存储芯片采用3片M25P64闪存芯片,每片容量为64 Mbit,可以对系统1年的数据进行存储,满足煤矿巷道数据容量要求。主控芯片利用SPI串行接口进行高速读写,操作方便。

2.1.5 电源模块

电源芯片采用TI公司的tps63001,具有1.8~5.5 V的宽输入电压范围,高达96%的效率,1.2 A的输出电流[7]满足了控制总站的供电要求。

2.2 通信分站硬件设计

通信分站主控芯片采用TI公司的CC2530F256,除具有RF收发器外,还结合了业界标准增强型8051 CPU,内部具有256 KB闪存(Flash),具有丰富的外设[8]。通信分站结构如图4所示。

图4 通信分站结构框图

超声波测距传感器采用KS103,探测距离为1~10 m,包含实时温度补偿,探测精度达到±5 mm,使用IIC接口与主控芯片通信,通信速率为50~100 kbit/s;采用独特的可调滤波降噪技术,电源电压受干扰时仍可正常工作;采用纳瓦技术省电,可自动进入μA级耗电休眠状态,随时可被主控芯片IIC控制指令唤醒。

为了保证巷道中信号的有效传输,需要保证理想的RSSI(接收信号强度指示),CC2530前端增加了功放芯片CC2591进行功率放大,使发射功率增加到了20 dBm,即使在150 m也能保证理想的RSSI,满足了系统的需求。

考虑到通信分站安装的灵活性,通信分站采取19 Ah锂电池供电,可以使系统正常工作1年左右,同时配有电池电量检测功能,当电量不足会发送提示信息,结合巷道要求通信分站生命周期为1年,满足系统要求。稳压电源采用TI公司超低工作电流的3.3 V低纹波电源芯片tps60211,系统休眠时工作电流仅为2 μA[7],系统唤醒后又可以正常工作,有效地降低了系统的功耗。

3 系统软件设计

3.1 控制总站软件设计

μC/OS是一种基于ROM运行的、可裁减的、抢占式、实时多任务内核,具有高度的可移植性,特别适合于微处理器和控制器,采用时间片轮转法进行任务之间的切换[9]。STM32嵌入μC/OS微型操作系统,建立3个任务,分别是用户界面任务、触摸屏任务和时间任务。主程序框图如图5所示。

图5 控制总站主程序框图

用户界面任务和触摸屏任务主要实现ucGUI控件的编写以及底层响应,用户可以通过液晶屏实现通信分站的初始化、时间校准、数据查询等功能,最主要的功能是实现与通信模块的通信,实现命令的发送、数据的接收以及数据的上传等功能;时间任务主要为系统提供稳定可靠的系统时间,利用信号量和邮箱进行任务间的通信及同步,实现任务间的互相联系和对临界资源的访问。

3.2 通信分站软件设计

由于煤矿巷道的特殊性,通信分站呈线性分布,考虑到系统对功耗的要求,未采用TI提供的Z-Stack协议栈,而是采用了自定义数据通信协议。通信分站程序流程图如图6所示。

整个网络系统中以设备的ID为身份标志,每个通信分站都有唯一的网络地址作为其身份ID,通信分站出厂时均为0x0000、控制总站为0x0001;使用控制总站为通信分站设置地址,按照距离控制总站的远近依次分配0x0002,0x0003,0x0004…直至最后一个通信分站。

分配完地址后各个通信分站处于等待时间同步命令状态,通过控制总站发送时间同步命令,通信分站收到同步时间命令后进行时间同步,同时将同步时间命令发向下一个通信分站,当最后一个通信分站收到同步时间命令后进行时间同步;然后采集数据发向上一个通信分站,上一个通信分站收到数据后将自己采集到的数据与收到的数据进行重新打包继续发往上一个通信分站,以此类推直至发送至控制总站,各个通信分站数据发送成功后自动进入休眠状态。当唤醒时间到,各个通信分站处于接收同步时间状态,重复上述通信过程。通信期间若有通信分站出现故障,可以自动向故障分站的上一站发送数据,从而可以保证系统的稳定性,避免个别通信分站出现故障导致系统的瘫痪。

4 本质安全

井下电子设备必须进行本质安全设计,本质安全指电路在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量小于0.28 mJ(B级防爆)[8]。系统控制总站和通信分站的设计完全符合国标GB3836.2—2010和GB3836.4—2010,电路和外壳均符合隔爆要求。

图6 通信分站程序流程图

5 实验与结果

基于此实验系统进行了测试实验,用木板模拟煤矿巷道模型,移动木板间距表示巷道表面的位移,通过高精度激光测距仪进行测量得到标准值,从控制总站得到通过无线发送回来的测量值。二者的比较见表1。

表1 标准值与测量值比较表

从表1中可以看出:测量结果绝对误差在±5 mm以内,满足了巷道表面位移测量精度的要求,且无线发送和接收稳定可靠,达到了工业监测的设计目标。

6 结论

通过对基于ZigBee的矿井巷道表面位移监测实验系统的开发,可以实现数据的采集和无线组网收发、掉电数据不丢失等功能,性能可靠。网络框架满足大多数监测系统的使用,成本低廉,方便在实验室中进行项目开发,为物联网技术在矿业中的应用提供了便利的开发平台,达到了实践教学的目的。此外,由于该系统可应用于工业现场,因此还可以进行顶板离层仪、瓦斯监测仪、锚杆锚索应力计等煤矿安全实际产品以及人员定位系统的开发。

[1] 齐立磊,王超.基于ZigBee的矿井无线传感器网络监测系统的设计[J].煤矿机械,2013,34(9):252-254.

[2] 罗巍巍,徐晓.基于ZigBee和RFID的唤醒流水线检测系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(11):98-100.

[3] 蒋增强,鄂明成.工业工程实验体系研究[J].实验室研究与探索,2013,32(10):90-92.

[4] 汤文亮,曾祥元.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾检测系统[J].实验室研究与探索,2010,29(6):49-53.

[5] 高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[6] 王铁流,李宗方.基于STM32的USB数据采集模块的设计与实现[J].测控技术,2009,28(8):37-40.

[7] 梁艳超,程永强.基于ZigBee的矿井数据采集综合实验平台[J].实验技术与管理,2013,30(10):114-116,128.

[8] 郭阳雪,孔祥洪.基于物联网的赤潮监测系统[J].实验室研究与探索,2013,32(3):21-25.

[9] Jean J.Labrosse.嵌入式实时操作系统μC/OS-2[M]:北京:北京航空航天大学出版社,2003.

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