基于Zigbee 的溜井料位检测系统的设计

刘振兴　孔维社

摘要：该文介绍了一种利用无线技术检测煤矿溜井料位的检测系统，阐述了系统的硬件原理设计，软件的编制。该系统以CC2530为核心，由节点传感器、控制主机组成。节点传感器采集溜井壁压力的变化情况，将数据以无线方式发送给控制主机，控制主机将接收到的数据通过上位机显示出来，以此实现对溜井料位高度的检测与分析。

关键词：溜井检测；无线传感网络；CC2530

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0227-03

Abstract： The paper proposed a design of material level measuring system for Ore Pass Based on ZigBee， described the principle of Hardware and software. The core of this system whichs consisted of sensors and control machine is CC2530. The pressure data of ore pass are transfered to control machine by sensors by wireless， and displayed on host computer. In this way， The analysis and dection of material level is realized.

Key words： material level measure for ore pass； wireless sensor； CC2530

矿井中的煤仓和溜井的煤位检测是煤矿安全生产的重要环节。矿山开采中，随着自动化程度的提高和数字化矿山的建设，对生产效率要求越来越高，对生产安全越来越重视，因而对溜井作业的监控要求也越来越高。由于溜井深度大、直径小，在运煤的过程中经常堵塞，而又无法确定具体的堵塞位置，在疏通的过程中经常会出现人员伤亡事故。为了保证煤矿正常生产，在运输过程中必须对溜井的料位有所了解，这对保证安全生产，提高开采效率，提高经济效益具有重要意义。

1 系统概述

在煤炭运输的过程中，多数情况需要将煤炭从地势较高的位置运输至地势较低的位置，为了节约运输成本提高运输效率，会在矿山中从上之下打通一个倾斜的运煤管道，称之为溜井。运输时，直接将煤或矸石倾倒在溜井口，自然滚落至溜井底部，然后由车辆将煤或矸石运走。通过溜井，既可以达到快速运输的目的，又可以通过物料的自然下落实现粉碎物料的目的。溜井深度根据地势不同而各不相同，最深的可达百米，而直径仅有一两米，这样的结构导致溜井容易堵塞，而具体的堵塞位置难以判断，只能通过人工方式慢慢排查，较容易出事故，所以检测溜井料位检测系统显得尤为重要。

该系统由两部分组成：控制主机和节点传感器。控制主机安装在溜井口附近，节点传感器安装在溜井壁上。控制主机和节点传感器通过无线方式通讯。节点传感器利用压力测量原理，检测节点周围是否存在物料，并将检测信号发送至控制主机。控制主机根据节点传感器的数据来判断溜井内的物料状况。布置图如图1所示。

料位的测量精度与节点传感器布置的密集程度相关联，根据现场对测量精度的要求来控制节点传感器的安装数量。溜井物料测量所要求的精度一般不高，可以间隔5米布置一台节点传感器，在溜井的上下仓口各安装一台控制主机，方便上下仓口观察溜井内的物料情况，及时发现溜井堵塞位置。

2 硬件设计

节点传感器和控制主机采用ZigBee无线技术实现，传输距离远、功耗低。

2.1 节点传感器设计

节点传感器由压力传感器组件、单片机控制电路、无线通信模块和电池供电电路四部分组成，如图2所示。

压力传感器组件铺设在溜井壁的表面，当溜井内有物料时压力传感器的数据状态发生变化；单片机控制电路采集压力传感器数据状态的变化来判断溜井内是否存在物料，并将数据通过无线通信模块发送给控制主机。无线通信模块由CC2530实现。其硬件电路如图3所示。

无线通讯模块CC2530通过UART与单片机控制电路进行通讯。

2.2 控制主机硬件设计

控制主机由单片机控制电路、无线通信模块、液晶显示模块和电源模块等四部分组成，如图4所示。

无线通讯模块接收节点传感器上传的数据，并将数据通过UART传输给单片机控制电路，单片机控制液晶屏将料位信息显示出来，实现溜井内物料的可视化。

3 软件设计

软件设计共包含两个方面：节点传感器发送软件设计和控制主机接收软件设计。

3.1 节点传感器软件设计

节点传感器的软件开发基于MPLAB编程环境，主要包括初始化、搜索主节点、发送数据等，其流程图如图5所示：

节点传感器初始化完成后，向主机发送位置（编号）信息并等待主机回复，收到回复后则进入工作状态，向主机发送当前的压力情况；如果位置（编号）信息发送5次后仍然得不到主机回复，则进入休眠状态。

3.2控制主机软件设计

控制主机的软件开发基于MPLAB编程环境，主要包括初始化、搜索从节点、接受数据、液晶显示等，其流程图如图6所示：

控制主机初始化完成后，开始巡检从节点，当收到从节点发送的位置（编号）信息后则将该节点置于在线状态，并接收该从节点发送的压力信息；如果一直未收到某从节点的位置（编号）信息，则将该从节点置于掉线状态。

4 试验结果与分析

为了测试基于zigbee的溜井料位检测系统是否稳定有效，将该系统置于贵州某煤矿试验了一个月。所测试的溜井深度为20米，直径1.0米。将节点传感器沿溜井圆周摆布，纵向间距5米，共3层，每层10个节点传感器，共30个，检测范围为5～15米。如图7所示。

5 结束语

基于zigbee的溜井料位检测系统通过可以有效的检测溜井内的料位情况，并通过上位机显示出来，实现溜井内物料信息的可视化。该设计只能大致显示溜井内的料位情况，检测的精度取决于节点传感器的布置。下一步需要优化该设计，以提高测量的精度。

参考文献：

[1] 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）.

[2] 石志军， 刘艳章， 叶义成等. 矿山溜井全景扫描装置研制[J]. 工矿自动化，2013， 39（12）： 8-12.

[3] 郑茂全， 侯媛彬. 基于CC2530的井下人员信息采集模块设计[J]. 工况自动化， 2012（6）： 7-12.

[4] 万正道. 李楼铁矿溜井料位检测系统的设计与应用[J]. 煤矿机电， 2015（2）： 64-68.