带式输送机温度无线实时监测系统的研究与设计

肖雅静 孟国营 杨 睿

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

带式输送机温度无线实时监测系统的研究与设计

肖雅静 孟国营 杨 睿

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

针对采用手持设备到现场对带式输送机温度进行检测存在的问题，设计了一套带式输送机温度无线实时监测系统，介绍了系统组成和工作原理，详细阐述了系统的主要硬件和温度采集模块软件设计。通过在煤矿现场的实验表明，该系统能够实现带式输送机温度的无线实时监测，同时还能够对带式输送机的故障起到预警作用。

带式输送机 温度监测 无线监测 实时监测

带式输送机在煤矿生产运输中起着重要作用，其能否持续无故障地运行直接影响到煤矿企业的生产效率及经济效益。在带式输送机设备监控体系中，温度监测目前还不够成熟和完善，大多数温度监测仍存在采用有线采集定式，不能随意布点和调整监控部位的缺点，一旦因监控不到位则可能发生事故导致巨大损失。另外，如果整个设备大量发热点温度不能实时监测，造成了突发事件无法控制。为了解决此问题，需要对发热部分的温度监测进行集中管理，因此研发了带式输送机温度无线实时监测系统。

1　系统组成和工作原理

带式输送机温度无线实时监测系统由温度采集模块、分站和主站组成，系统组成框图如图1所示。

由图1可以看出，温度采集模块将温度信号通过无线传输电路传输至分站，分站对采集来的数据进行存储和显示，并将数据传输给主站，分站与主站通信采用CAN总线通信方式；分站只支持被动查询方式，主站根据需要查询分站的具体工况；主站的功能主要是完成信号存储、温度显示以及温度异常检测，并可通过CDMA发射装置向相关负责人手机发送具体报警信息，避免由于设备故障造成巨大的经济损失。

图1　系统组成框图

2　系统主要硬件

2.1温度传感器

温度采集模块采用超轻锂电池供电模式，因此该模块具有体积小和重量轻的特点。温度采集模块通过无线传输技术与分站之间进行数据交换，不需要布线，贴在测温点就可以进行温度的采集，可以方便地应用于各种旋转运动和直线运动的设备上。考虑到防水性、功耗以及数字程度等因素，温度采集传感器选用18B20型温度传感器。该传感器具有数字输出采集到的温度和采用先进的单总线进行数据通信等特点，预置产品序列号于ROM中，方便多点测温应用。无线温度传感器主要技术指标如下:量程为-55℃～+125℃；测量误差为±0.5℃；检测周期为60～80 s；发射频率为300～400 MHz；通讯距离为30～300 m；等待状态功耗为2.5μA，工作状态功耗为11 m A；连续工作时间为不小于3 a。

2.2温度采集模块中央处理单元

中央处理单元采用STC11F01单片机，该处理器采用高速增强型8051内核，具有10倍于8051的速度，能够适应系统大数据量的测量速度要求。同时该芯片具有宽电压设计，在3.6～2.4 V都能正常工作，适应性强，能够增加系统的稳定性。此外，该处理器选用低功耗设计，外部中断可以随时唤醒掉电模式下的芯片，这样就能大大延长温度采集模块电池的寿命，不用频繁更换电池，减少维修和管理方面的问题。

2.3无线传输模块

无线传输模块的选型尤为重要，如果需要专门申请频点，那么势必增加产品的设计成本，因此选用nRF401芯片作为无线传输芯片。nRF401是北欧一家集成电路公司研发的无线收发芯片，工作频段为433 MHz，不需要专门申请频点，这就为产品的工业化使用提供了大大的便利。该芯片采用FSK调制解调技术，发射功率可以调整，收发速率可以达到20 K。此外，此芯片采用差分天线形式作为接口设计，因此在系统设计中可以选用成本相对低的PCB天线，可以大大降低产品成本。nRF401芯片和中央处理单元一样采用宽电压设计，工作电压范围2.7～5 V，可以工作在待机模式，更具节能效果，还能够延长电池的使用寿命。该芯片主要由发射电路、接收电路、串行接口和低功率控制逻辑电路等组成。nRF401芯片主要具有节能、可靠和易用的特点:

（1）工作时功率比较小，发射功率小于10 m W。

（2）不需要申请专门频点，一般情况下载频频率为433 MHz，如果有特殊要求也可提供868/915 MHz的载频。

（3）基于FSK的调制方式和采用高效前向纠错信道的编码技术进行编码，使得数据传输中的抗干扰能力得到大幅提高，具有低误码率以及高抗干扰能力。

（4）数据传输格式开放且透明，可以适应任何用户协议。

（5）具有智能数据控制功能，用户不需要编写额外的程序，只要从发送/接收接口完成数据收发即可，转换等功能由芯片自动完成。

（6）芯片能够工作在待机模式。

3　温度采集模块软件设计

温度传感器同中央处理单元之间通过I2C总线进行数据通信，在读取温度传感器的温度时，中央处理器先后发出8位寄存器指和已经预先设置好的传感器地址，然后将读/写管脚设为高电平，读取所需寄存器的值；中央处理器与传感器进行2次数据通信以先后读出高8位和低8位的数据；中央处理器读取完传感器的数据后，对数据进行处理并通过无线方式传输给分站；中央处理器接收完数据之后向传感器发送一个单步指令，使传感器进行下一次温度的测量之后进入等待模式；中央处理器发出单步指令后进入低功耗模式，与此同时系统时钟继续工作，产生唤醒CPU的定时中断。定时的长短可以通过编程进行调节，对于变化较快的信号定时时间要尽可能短。由于本系统测量的是连续变化的温度信号，为了节省资源，定时周期没有必要设定的太长。定时器中断子程序流程图如图2所示。

图2　定时器中断子程序流程图

4　主站与分站通讯格式

主站与分站通讯为主动方式，即分站不会主动向主站传送数据，必须由主站向分站发出读写指令，分站才会有相应的响应。选用的总线驱动电路决定了CAN总线所挂接的节点数，目前挂接的节点数最多可以达到110个。根据现场实际需要，本监测系统的主站下挂几十个分站，理论上不存在任何问题。在通讯过程中将主站和分站波特率都设置为9600 bps。主站平台发送数据格式为通讯协议: AAL，地址:0-X；分站返回数据格式为通讯协议:55L，地址:01，数据帧:n*8位数据。

主站根据需要查询分站的具体数据，分站只支持被动查询方式。正常工作状态时，所有的分站都处于接受状态。当主站需要查询分站的数据时，首先发送被查询分站的地址。所有分站都同时接收主站发来的地址，并判断此地址是否与本机地址相同，如果不同则放弃本次与主站之间的通讯，如果相同则完成与主站的握手信号对接，并继续接收主站的查询命令，返回主站所查询参数的实际值。

5　结语

本文设计的带式输送机温度无线实时监测系统采用无线技术对设备温度进行采集，本系统具有很高的组网灵活性、无线传输的先进性以及数据采集的准确性等显著优点，具有很高的实用价值。通过在煤矿现场的实验表明，本系统能很好地适应工业现场带式输送机温度监测的要求，大大减少了人工监测的工作量，实现其温度的无线实时监测，同时对带式输送机故障起到预警作用。

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（责任编辑 路 强）

Research and design on wireless and real-time temperature monitoring system of belt conveyor

Xiao Yajing，Meng Guoying，Yang Rui
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the existing problems of field measuring the temperature of belt conveyor with handheld device，a set of wireless and real-time temperature monitoring system of belt conveyor was designed.The system composition and operating principle were introduced，and the main hardware and the software design of temperature data gathering module were elaborated. The mining field experiment showed that the system could achieve wireless and real-time monitoring the temperature of belt conveyor，and it also could play a role of early warning on malfunction of belt conveyor.

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TD528.1

A

肖雅静（1983-），女，河北唐山人，中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院在读博士生，主要从事机械电子工程方面的研究。