基于ZigBee和以太网技术的巷道顶板离层数据在线监测系统设计

王立飞，王晓荣（南京工业大学自动化与电气工程学院，南京210009）



基于ZigBee和以太网技术的巷道顶板离层数据在线监测系统设计

王立飞，王晓荣*
（南京工业大学自动化与电气工程学院，南京210009）

摘要：针对目前矿用顶板离层仪主要采用有线的传输方式，这种方式存在安装不方便、成本高、灵活性和扩展性差的缺点。因此，笔者根据顶板离层的测量原理，结合巷道现场实际情况，在STM32处理器上将ZigBee与以太网结合，运用RT-thread操作系统，设计了一种采用ZigBee和以太网技术2层通讯的顶板离层数据在线监测系统。矿下实验证明，该系统测量范围在0~300 mm，测量精度达到2%，ZigBee部分数据传输稳定，实时上传数据，方便了顶板离层检测的自动化。

关键词：顶板离层仪；ZigBee；以太网；在线监测

煤矿巷道顶板离层是指在巷道服务期内，顶板岩层中一点与其上方一定深度岩层中的某一基点之间的相对位移量。顶板离层的状态，直接关系到巷道围岩支护效果和煤矿生产安全［1］。近几年，随着煤炭监测技术的发展，出现了各种基于rs485总线、can总线、以太网等有线网络的顶板离层检测系统［2-3］，在一定程度上解决了传统顶板离层仪人工抄数的局限性，但有线网络存在安装不方便、成本高、灵活性和扩展性差的缺点［4-5］。

ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，具有低功耗、低成本、延时短、网络容量大、可靠、安全的优点［6］，通讯距离可达几公里；以太网是当前应用最普遍的局域网技术，它很大程度上取代了其他局域网标准。因此，笔者将ZigBee技术和以太网技术结合，研究设计了一种采用ZigBee和以太网技术2层通讯的顶板离层数据在线监测系统，克服了传统有线网络顶板离层检测系统安装不方便、成本高、灵活性和扩展性差的缺点，方便了研究人员对数据进行处理和综合分析［7］。

1　系统总体设计方案

目前，国内大多数的煤矿都铺设了以太网。而基于煤矿巷道高度、宽度有限，长度较长的特点，单一的有线网络具有一定的局限性。因此，设计的系统采用2层通讯，底层离层检测仪与通讯分站之间采用ZigBee通讯方式；通讯分站与地面监控主机之间采用以太网通讯方式。地面监控主机可远程对通讯分站和离层检测仪进行参数设定，并对接收到的数据进行处理和分析。系统主要由底层离层检测仪（路由ZigBee Router节点）、通讯分站（协调者ZigBee Coordinator节点）、光纤环网、监控主机软件几部分组成。系统架构如图1所示。

底层离层检测仪（路由ZigBee Router节点）负责采集、显示顶板离层数据、现场报警，并与通讯分站（协调者ZigBee Coordinator节点）之间传递数据和命令。底层离层检测仪框架设计如图2所示。

图1　系统架构

图2　底层离层检测仪框图

通讯分站（协调者ZigBee Coordinator节点）作为整个网络的协调器，负责组建网络、分配地址、汇总查询讯息、上传数据和下传命令。

通讯分站框架设计如图3所示。

图3　通讯分站框图

针对煤矿的安全需求，本系统采用本安设计和隔爆设计的双重安全防护措施，确保井下使用的安全性。

2　处理器

STM32F1系列芯片是常用的32 bit MCU，Cor⁃tex-M3内核，运算速度快，RAM和FLASH容量较大，价格便宜，很容易买到。

2.1STM32F103芯片

底层离层检测仪（路由ZigBee Router节点）的核心控制器是STM32F103芯片，属于中低端的32 bit ARM微控制器，由意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3，芯片集成了定时器、ADC、DMA、SPI、I2C、USB、CAN、UART、串行单线调试（SWD）和JTAG接口等多种功能。集成度高、可靠性强，减小了电路板尺寸，提高了系统的稳定性和抗干扰能力。

2.2STM32F107芯片

通讯分站（协调者ZigBee Coordinator节点）的核心控制器是STM32F107芯片，是意法半导体（ST）推出的一款性能较强的互连型STM32产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，包含以太网10/ 100 MAC模块。此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场等多种产品需求。

3　ZigBee

3.1ZigBee硬件设计

ZigBee Router模块采用增强型REX3SP模块，外形小巧、灵敏度高、低功率，可靠通讯距离可达2 000 m（可视距离），该模块符合IEEE802.15.4Zig⁃Bee协议栈［8］，支持自我修复、自我组织的网状网络，进而优化了网络流量并降低了功耗。ROUTER节点能够加入到一个已经存在的无线网络中，加入到无线网络中之后可以接受其他节点加入网络，为网络中其他节点中继、转发数据，从而实现无线网络的扩展。ZigBee Router通讯模块电路设计如图4所示。

ZigBee Coordinator模块采用增强型REX3SP模块。COO节点是无线网络的逻辑中心点，在无线网络中充当网关的功能，能够建立并管理一个新的无线网络。COO节点建立一个无线网络之后，就可以接收其他节点加入网络的请求，从而使无线网络扩展开。COO节点使用有线电源供电，不需要休眠，并且能够管理休眠节点。ZigBee Coordinator模块电路设计类似于ZigBee Router模块。

图4　ZigBee Router通讯模块电路图

3.2ZigBee软件设计

3.2.1 ZigBee通讯数据帧格式

应用程序通过串口（UART）访问REX3SP模块，为了保证通信的正确率，采用表1的帧格式。数据帧由帧头（Header），帧长（Length），有效数据（Payload），校验和（Check），帧尾（Footer）五个部分组成。其中，Header取值为0x2A，Footer取值为0x23；Length取值为Payload的长度（不包括Header，Footer，Check 和Length本身），Check取值为Payload相加值的最低字节。

表1　ZigBee通讯帧格式

上传的有效数据包（Payload）格式如表2所示。

表2　上传有效数据（Payload）包格式　单位：byte

下传的有效数据包格式（Payload）如表3所示。

表3　下传有效数据（Payload）包格式　单位：byte

3.2.2 ZigBee通讯协议改进

基于ZigBee技术的顶板离层仪早已有人研究，但基本都是仅仅在实验室，真正在煤矿上得以应用的非常少。其主要原因是因为矿下情况复杂，无线通讯的稳定性难以保证。为保证ZigBee数据传输不丢失，程序采用轮询的方式，未上传的数据暂时保存在缓冲区中，待下次轮询时一并上传。

4　以太网

4.1以太网硬件设计

STM32F107芯片自带了10/100以太网接口，以太网PHY控制器选用美国国家半导体公司DP83848单路物理层器件［9］，具有低功耗性能。DP83848模块电路设计如图5所示。

4.2以太网软件设计

Tcp/Ip协议栈采用的是lwip1.4.1协议栈，程序主要包括网卡的初始化和协议栈的监测。RTThread具有丰富的组件包括Lwip，省去了移植网络协议栈的过程。

lwip只要使能rtconfig.h中宏代码，然后修改基地址和中断函数就可以了，lwip相关宏定义如图6所示。lwip通讯测试如图7所示。

图5　DP83848模块电路图

图6　lwip相关宏定义

图7　Lwip通讯测试

5　RT-Thread操作系统下软件设计

系统采用RT-Thread操作系统进行系统的软件构架。RT-thread操作系统是一种小型、实时、可剪裁的嵌入式操作系统。它包含实时嵌入式系统相关的各个组件：实时操作系统内核，TCP/IP协议栈、文件系统、libc接口、图形界面等。采用C语言编写代码，代码格式规范，结合了VxWorks和ucos两个操作系统的优点，综合性能优于ucos，是Cortex M3、CortexM4内核的最理想的嵌入式操作系统，源代码完全公开，免费商业使用。

5.1底层离层检测仪软件设计

底层离层检测仪将任务分成5个线程：Zig⁃Bee通讯线程、A/D采样线程、数码管显示线程、按键线程、工厂设置线程。线程优先级如图8所示，从左到右递减，任务间同步及通讯采用RTThread操作系统中的关闭中断、信号量、事件和邮箱来实现。

图8　ZigBee Router节点线程优先级图

5.2通讯分站软件设计

通讯分站将任务分成4个线程：ZigBee通讯线程、以太网线程、液晶显示线程、按键线程。线程优先级如图9所示，从左到右递减，任务间同步及通讯采用RT-Thread操作系统中的关闭中断、信号量、事件和邮箱来实现，以太网协议栈采用瑞典计算机科学院（SICS）的Adam Dunkels开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈lwip。

图9　ZigBee Coordinator节点线程优先级图

6　实验结果

6.1ZigBee通信可靠性实验

针对设计的顶板离层仪进行ZigBee通信可靠性分析实验。实验对象采用图1的系统架构，1台通讯分站下接32台底层离层检测仪，顶板离层仪每3秒产生一帧数。矿下实验证明，ZigBee采用轮询的通讯机制保证了数据传输不丢失。实验数据见表4和表5。

表4　不加中继时ZigBee通信可靠性实验结果

表5　加中继时ZigBee通信可靠性实验结果

6.2传感器精度实验

进行测量实验时，通过拉动机械装置带动电位器转动，离层仪显示位移与物体实际位移偏差小于2%。实验数据见表6。

表6　位移测量结果

7　结束语

本系统结合了现如今煤矿巷道的实际情况，将

ZigBee技术和以太网技术结合，从低功耗和数据传输稳定性方面设计了软硬件，具有低功耗、使用寿命长、安装容易、安装成本低、数据传输可靠、可在监测机上远程操作等优点，方便了研究人员对数据进行处理和综合分析。

参考文献：

［1］张立海.大断面厚顶煤巷道顶板离层预警阈值分析［J］.煤炭安全，2014，45（8）：217-220.

［2］李学哲，黄成玉.基于工业以太网的顶板离层检测传感器设计［J］.工矿自动化，2012（11）：73-76.

［3］刘卫东，张薇，孟晓静.基于物联网的煤矿检测监控系统研究［J］.电子器件，2015，38（6）：718-724

［4］周李兵，孙骏驰.煤矿巷道顶板离层监测系统设计［J］.工矿自动化，2012（4）：94-97.

［5］樊健，何小刚.基于ZigBee技术的顶板离层仪网络研究［J］.煤炭工程，2014（6）：144-149.

［6］陆星家，陈志荣.能耗约束的无线传感器网络的目标覆盖和路由分配研究［J］.传感技术学报，2015，28（6）：900-906.

［7］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.

［8］IEEE Std 802.15.4-2003 IEEE Standard for Information Technolo⁃gy-Part 15.4 Wireless Medium Access Control（MAC）and Physi⁃cal Layer（PHY）Specifications for Low- Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）.

［9］王健，马小军，王伟，等.基于Ethernet Ring的井下矿山智能传输接口研究［J］.矿业研究与开发，2013，，33（5）：90-94.

王立飞（1990-），男，江苏南京人，在读硕士研究生，就读于南京工业大学自动化院，研究方向为检测技术与自动化装置，249254132@qq.com；

王晓荣（1972-），男，汉族，江苏阜宁人，副教授，硕士生导师，主要研究方向是分析仪器设计、嵌入式系统设计、机电系统综合控制，9525819@qq.com。

Serial Expansion Based on XR16L788 and Its Application

WANG Shuping1，2，YANG Wei1，2*，HOU Shuang1，2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

Abstract：Described in detail based on the high performance eight channel UART controller chip XR16L788 the serial expansion communication method，and complete its on S3C2410 driver and its application in a has the func⁃tion orientation of new remote terminal，to solve the problem of shortage of the device interface and the remote termi⁃nal can on the one hand，using GPS，electronic compass，laser range finders provide information to achieve the tar⁃get passive location，on the other hand the wireless module to transmit control command receiving feedback informa⁃tion. Practical application shows that，the method to design reliable，in order to meet the requirements of the original at the same time，we have reserved the interface to facilitate the expansion of other functions.

Key words：XR16L788；extended UART；S3C2410；remote terminal；passive positioning

doi：EEACC：7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.043

收稿日期：2015-04-03修改日期：2015-08-19

中图分类号：TN923

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0205-06