基于无线传感器网络的采煤机状态监测系统研究

冯晓剑

(山西孝义西山德顺煤业有限公司，山西 孝义 032300)

0 引言

随着工业规模的扩大，我国对能源的需求日益增长，其中煤炭是我国消耗量最大的一次能源，约占能源消费总量的70%。因此煤炭产业的高效与安全对我国经济的可持续发展具有重要意义。自动化技术的迅速发展大幅提高了煤矿机械化程度，使得矿井的生产成本进一步降低，但机械化设备突然发生故障或损坏时，将对煤矿企业造成经济损失并对工作人员的人身安全造成威胁。井下复杂恶劣的环境意味着煤矿产业的高危险性，采煤机极易出现故障或损坏，因此本文设计了一种新型的基于无线网络的采煤机状态监测系统，以实时检测出采煤机的故障状态，快速消除或预防故障，从而提高采煤机的使用寿命和可靠性。

1 无线传感器网络与ZigBee技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)技术最初在20世纪70年代被应用于军用设备，美国空军基于该技术发明了一种空中报警设备，可进行点对点通信以实现对设备状态的实时监控。1980年，美国研究机构DAPRA设计了一种由多个传感器节点连接形成的无线传感器网络。

近年来，国外对无线传感器网络的研究取得了较大进展，例如澳大利亚学者开发了一种可适应复杂环境的无线传感器，提高了无线通信距离；泰国学者设计了基于无线传感器的定位系统，使得定位误差进一步减小。我国对无线传感器网络的研究也取得了一定成果，如中科院开发了基于无线传感器网络的农田信息监控系统；西南交大设计了基于ZigBee技术的无线网络病房监护系统。无线网络具有节点多且密度大、分布式结构、自动组网及无需布线等优点，非常适合应用于矿井复杂环境下设备的监测。

ZigBee技术是用于组建无线传感器网络的先进技术，具有延时短、成本低、功率损耗小、稳定性高、网络结构灵活等特点，已成为近年来的研究热点，因此本文采用ZigBee技术组建采煤机状态监测系统的无线传感器网络。

2 采煤机状态监测系统设计要求与总体设计

2.1 采煤机状态监测系统设计要求

因矿井下工作环境较为恶劣，要准确并稳定实现对采煤机状态的实时监测，采煤机监测系统需满足以下几个要求：

(1)体积小：采煤机在矿井综采工作面运行时，机械部件易与外部土壤、石块等发生碰撞，因此应避免监测设备安装在易与外部摩擦发生故障或损坏的位置，同时应满足方便监测设备状态的要求，所设计的监测系统设备应足够小。根据实际应用情况，本文设计的采煤机监测设备的尺寸不大于80 mm×60 mm×60 mm。

(2)功率损耗小：监测设备一旦被安装在采煤机上后应避免频繁拆卸，因此应选择耗电量低的元件，同时应尽量降低采样信号的传输频率。

(3)易扩展：目前所设计的采煤机状态监测系统监测位置较少，考虑到未来监测系统的发展趋势应是矿井的全面监测，设计时应考虑到监测系统的可扩展能力。

(4)成本低：基于无线传感器网络的监测系统中节点数量较大，因此成本问题不可忽略。在监控系统可快速与稳定地对采煤机状态进行监测的前提下，应尽量通过软件实现系统需要的功能，并优化硬件设计从而降低整个系统的建设成本。

2.2 采煤机状态监测系统总体设计

采煤机需要监测的状态信息主要是其工作过程中的温度与振动频率，一旦温度超标或振动频率不在正常范围时，监测系统应能快速判断出故障情况并进行报警。本文基于采煤机的设备特点与矿井工作环境，对采煤机状态监测系统进行了总体设计，为缩小整个系统的体积，整个监控系统分为采样与监测两个部分。状态监控系统由机器状态数据采样模块(传感器节点)、数据传输模块(汇聚节点)、监控上位机(管理节点)构成。图1为基于无线传感器网络的采煤机状态监测系统总体结构图。

图1 基于无线传感器网络的采煤机状态监测系统总体结构图

采煤机状态数据采样模块由温度传感器与振动传感器对采煤机工作时的温度与振动信号进行采样和处理，传感器可对采煤机上多个位置进行温度和振动频率采样，数据传输模块则以无线通信的方式将采样得到的信号传送至监控上位机，最终由上位机软件对数据信息进行分析以判断采煤机是否发生故障。

3 采煤机状态监测系统的软件设计

3.1 无线传感器网络的构建

监测系统由两种功能不同的设备组成，即协调器与终端设备。协调器通过创建网络MODE_HARD实现初始化，终端设备则通过链接模式MODE_JOIN启动；若设备已处于在线状态，则设备状态为MODE_RESUME；若设备掉线重连，则网络名应为MODE_REJOIN。

无线网络的构建有以下两个步骤：

(1)协调器创建网络，系统中只有一个协调器，可认为其是整个监测系统的大脑。首先对节点进行格式化，再进行初始化和分配网络地址。协调器的网络层NWK给每个终端设备分配唯一的IP地址，从而区分不同的终端设备。

(2)将终端设备加入网络，本文所设计的监测系统采用无需路由器的星型连接方式，便于维护与修理。终端设备上电后，首先对其进行格式化，然后搜索网络并申请加入网络；申请发出后，协调器接收到此申请，向终端设备反馈允许信息，终端设备接收到此信息后即可加入网络。

3.2 数据采样系统程序设计

无线通信技术的成熟使无线传感器网络得到广泛的应用，采煤机中需测量的数据首先需通过传感器采样和处理得到可分析的信号。整个监测系统由数据采样、数据传输与上位机监测3部分组成。不同类型的数据均由相应的传感器进行采样处理和传输，如温度与振动频率的数据分别由温度传感器DS18B20和加速传感器ADXL345采样得到，再通过编程将采样数据转换为可用信号。

数据采样系统程序主要包括微处理器的初始化程序、温度数据的采样程序及振动数据的采样程序。本文采用的微处理器为MSP430，要对其进行初始化，首先需对微处理器进行格式化，关闭看门狗程序，对寄存器选择外部时钟源，将24 MHz频率的晶振作为主时钟和子时钟，32 768 Hz的晶振作为辅助时钟；随后对I/O接口与通讯初始化，选择对应的寄存器设置I/O接口状态、输入输出方向，并设置采样率、程序执行位置及终止位置等。图2为MSP430微处理器的初始化流程。

图2 微处理器初始化流程图

通过温度传感器的DQ引脚与微处理器的P10.6引脚连接，从而实现温度的采样与控制。在向温度传感器发送控制信号前，需得到其时序图，才能准确实现对温度传感器的控制。微处理器与传感器之间的传输分为4步，即复位、ROM运行指令、RAM存储器运行指令及信号处理。振动数据的采样与温度数据采样的步骤一样，也需得到加速传感器ADXL345的时序图，以实现对振动频率的控制。

4 结束语

随着无线通信技术的发展，无线传感器网络在多个行业得到广泛应用，本文将其应用于采煤机状态监测系统，可实现对采煤机状态的实时监测，有利于降低采煤机的事故率并提高煤矿的生产效率。