基于ZigBee的采煤机监测系统的设计

崔 妮 ，关咏梅 ，郭 涛 ，张亮红

（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051；2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051；3.北京宇航系统工程研究所，北京100076）

我国煤矿生产中采煤设备的机械化程度较高（达75%），但受强振动、高冲击等恶劣工作环境影响，设备的机械旋转部件极易出现轴向对位不准、构件断裂等故障，导致事故的发生（千万吨矿井停产一天经济损失约1500万），故及时准确地检测对安全高效生产意义重大[1]。但重型采煤机是旋转机械，空间受限无法引线。因此本文采用无线传感网络方式来解决旋转类机械的智能监测问题。

无线传感器网络能够实时监测和采集网络区域内各种监控对象的信息，并将这些采集信息传送到网关节点，从而实现规定区域内目标监测、跟踪和远程控制。ZigBee是实现无线传感器网络应用的一种重要技术，具有高可靠性、低成本、低功耗、低数据速率等[2]特点，已经引起人们的广泛关注。

1 系统结构与基本原理

本文设计了一个可在地下矿井对重型采煤机的工作状态进行数据采集、传输和监测的无线传感器网络系统，对采煤机旋转部件的主要故障“温度和振动异常”作为检测对象，系统整体结构如图1所示。包括协调器、路由器及终端节点。终端节点由传感器模块及其信息采集器组成，信息采集器又包括传感器信号采集、信号调理模块、ZigBee无线传输模块、电源管理模块等。终端设备可实现温度和振动信号的采集，并通过ZigBee无线方式发送数据。服务器是监测及故障警报中心，实现对所采集数据的接收、显示、存储、历史查询、故障警报等功能。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system structure

2 硬件设计与实现

2.1 振动采集模块

振动传感器选用Colibrys公司生产的VS9000.D系列加速度计VS9050。VS9050是一个电容式MEMS加速度计，该产品是一个低功耗、校准的、耐用的和性能稳定的产品。这种可变电容传感器可专门用来提供大的带宽0～250 Hz，它的工作电压为DC 5 V，灵敏度为 1000 mV/g，非线性度<0.8%，分辨率<0.1 mg，完全满足本系统设计要求。

2.1.1 滤波电路设计

传感器输出信号在采集和传输中必然会受到各种噪声干扰，使其质量下降，因此首先对信号进行低通滤波。巴特沃思滤波器在通带内的频率响应曲线最大限度平坦、没有起伏[3]，因此选用八阶巴特沃思滤波器芯片MAX291对输出信号滤波，它是低通开关电容滤波器。滤波电路原理如图2所示。

图2 滤波电路Fig.2 Filter circuit

采煤机振动信号频率为0～2 kHz，截止频率取决于时钟的频率，本系列电路只需外接一个电容器，内部时钟振荡电路就能开始工作，而无需再从外部引入时钟信号。Cosc用来调整截止频率，计算公式为

其中：fclock为时钟频率；fc为滤波器截止频率。对于 MAX291，K=100。经过计算与实际电路调试，确定Cosc的容值为150 pF。

2.1.2 信号调理电路

由于CC2530F256内部A/D采集的量程范围为0～+1.25 V。而振动传感器输出为-2 V～+2 V，因此，传感器输出信号需通过零位提升、分压等调理电路来处理。

传感器的输出范围是-2 V～2 V，首先利用同相输入加法运算给运放的正输入端提供一个2 V的基准电压REC，这样输出电压就被调到0～4 V，再用一个简单的分压电路，得到输出电压0～1 V。

2.2 温度采集模块

温度信号采集选用Pt100型铂热电阻（RTD）。金属铂Pt的阻值随温度而变化，并具有很好的重现性和稳定性。采用RTD检测温度时必须考虑2个问题：线路电阻对测量精度的影响和RTD电阻的非线性。采用美国BB公司生产的XTR105芯片组成的温度-电流变送器可提升系统的精度和线性度。因此在本设计中没有选择传统的温度-电压信号测量系统，而是选用了温度-电流检测系统。

信号调理原理为在温度传感器RTD输出端接一个温度-电流变送器XTR105，把RTD阻值随温度的变化量转换成电流信号，通过电缆传送至仪器中的取样电路。输出电流IO经取样电阻RL变为电压信号供采样使用[4]。信号采集原理如图3所示。

图3 温度信号采集电路Fig.3 Temperature signal acquisition circuit

XTR105为模拟电流型输出，输出4～20mA，在其输出端接一个‰精度的取样电阻RL，将输出电流转换为电压信号供采样使用。实际调试时RL取150Ω，此时输出电压为+0.6 V～+3 V。因为CC2530F256内部A/D采集的量程范围为0～+1.25 V。在信号调理电路中运放芯片选用仪表运放AD623，在差分运放AD623的负向输入端输入+0.6 V的直流电压，这样就可降低电压，使得电压范围变成0～+2.4 V。为了得到0～+1.25 V，再利用一个简单的分压电路就可使输出电压为0～+1.2 V。温度信号调理电路如图4所示。D8为限幅二极管，可将AD623的输出电压限制在5.6 V以下，防止输出电压过大损坏后续元件。

2.3 ZigBee无线传输模块接口设计

整个系统的核心是无线数据收发模块，它主要由CC2530及少量外围电路组成。其中CC2530结合RF收发器、8051微处理器、8 KB的 RAM，32/64/128/256 KB内存，其内部已继承了实 时 时 钟 、ADC、USART等电路，因此只需增加少量的外围电路就可满足系统的无线通信需求。CC2530核心板采用TI公司的CC2530F256芯片，集成了CC2530芯片正常工作时所有的外部电路，包括SMA接口用以连接2.4 G天线。引脚22和引脚23接32 MHz晶振，引脚32和引脚33接32.768 kHz时钟晶振。CC2530模块电路图如图5所示。

图4 温度信号调理电路Fig.4 Temperature signal conditioning circuit

图5 CC2530模块电路图Fig.5 Circuit diagram of CC2530 module

2.4 电源管理模块

电源模块用于给各个节点供电，由于数据采集模块为无线传输，传感器节点所安置的地点一般不宜经常更换电池，因此要尽可能采用低功耗设计方案，延长电池的使用时间，从而延长整个无线网络的生命周期。该系统的CC2530F256芯片可采用3.3 V供电，振动传感器和一些电路调理芯片MAX293、AD623等都需5 V供电，而温度传感器的工作电压为12 V，因此外接12 V防爆电池，采用HT7550芯片将12 V转换为5 V，再通过HT7533电压调节芯片将5 V转为3.3 V。硬件电路还包括一些按键、LED、复位、电源指示灯及JTAG接口等电路设计。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要是ZigBee片上系统CC2530F256的程序设计和上位机的软件设计。

3.1 ZigBee模块软件设计

CC2530F256的软件设计使用的开发环境为IAR-EW8051，采用了官方的ZigBee协议栈ZStack2.3.1，主要实现了系统初始化、ZigBee网络搜索机网络加入、数据的无线收发等功能。一个Zig-Bee网络中通常包含了一个协调器和若干个路由器和终端节点。

3.1.1 协调器软件设计

协调器节点在网络中有着非常重要的作用，它往往是整个网络中的首台设备，其主要功能是选择信道并启动建立网络、确定网络中唯一的PAN地址并广播建立网络的信号以及与上位机实现通信。协调器节点组网流程如图6所示。

图6 协调器节点组网流程图Fig.6 Flow chart of coordinate node

3.1.2 终端节点软件设计

终端设备即传感器节点的功能就是将传感器采集来的数据发送到协调器，并接收协调器的命令数据。基于ZigBee无线传感器网络的传感器软件，主要包括主程序模块、按键输入模块、振动测量模块、温度测量模块和ZigBee无线通信模块等。传感器节点的流程如图7所示。

图7 传感器主程序流程图Fig.7 Flow chart of main program for sensor

3.2 上位机软件设计

在Microsoft Visual C++6.0环境下，利用微软基础类库MFC完成上位机监测系统的软件设计，实现了对采煤机监测系统的控制和数据的采集、显示、存储以及曲线的绘制等功能。状态检测主界面如图8所示，主要包括电流监测和振动监测，可用曲线的方式实时显示数据的变化情况。参数设定控制按钮是串口设置包括波特率等参数的设置。

图8 采煤机监测系统上位机软件Fig.8 Software of coal shearer monitoring system

根据采煤机的实际需要设定报警温度和振动频率，当温度和振动频率超过设定的阈值时，报警按钮灯就会变红，同时报警系统发出警报声。

4 结语

通过软硬结合的方式设计了一种煤矿井下无线传感器网络安全监测系统。该系统可对井下采煤机振动信号及环境温度进行采集、存储和传输。基于CC2530的ZigBee网络接口满足矿井物联网的发展要求，实现了数据的无线传输及组网功能，已成功应用于某矿井安全生产。另外此系统对网络在其他方面的应用及研究也有很好的借鉴作用[5]。

[1]马锐，陈光建，贾金玲，等.基于ZigBee和GPRS的多参数水质监测系统设计[J].自动化与仪表，2014，29（10）：33-36.

[2]刘任庆，刘莉娜.基于Zigbee技术的工业无线温度变送器的设计和实现[J].科学技术与工程，2009，42（6）：188-190.

[3]朱琎，杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计[J].仪表技术与传感器，2012（8）：56-58.

[4]卜乐平，夏立.XTR105变送器在温度检测系统中的应用[J].国外电子元器件，1999（1）：36-37.

[5]李学哲，张有东，封孝辉，等.基于Zigbee技术的巷道表面位移检测传感器设计[J].测控技术与仪器仪表，2013，39（12）：96-98.