摘 要:為實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),設(shè)計(jì)礦井環(huán)境突變預(yù)警系統(tǒng),對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端及無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以 CC2530 射頻模塊組成簇狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由CC2530的終端節(jié)點(diǎn)采集溫濕度值、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等環(huán)境參數(shù),直接或經(jīng)路由器傳遞到協(xié)調(diào)器,再由協(xié)調(diào)器經(jīng)RS 232串口上傳至PC 機(jī),上位機(jī)采用LabVIEW監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示、記錄,并對(duì)參數(shù)進(jìn)行判斷,判斷結(jié)果利用點(diǎn)播通信方式反饋到采集節(jié)點(diǎn),并實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警或控制其他機(jī)械運(yùn)作以避免人財(cái)損失。測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有成本低、組網(wǎng)靈活、測(cè)量精度高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境突變的預(yù)警作用。
關(guān)鍵詞:傳感器;ZigBee;CC2530;無線監(jiān)測(cè);LabVIEW
中圖分類號(hào):TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2018)09-00-05
0 引 言
煤礦瓦斯事故的有效預(yù)防和控制是當(dāng)今世界面臨的共同難題。近年來,煤礦的安全形勢(shì)仍然比較嚴(yán)峻,重大特大瓦斯事故時(shí)有發(fā)生,礦井作業(yè)具有的較高危險(xiǎn)性與不確定性使得設(shè)計(jì)一套礦井環(huán)境突變預(yù)警系統(tǒng)尤為重要[1]。早期的監(jiān)控系統(tǒng)需要在井下敷設(shè)通信線路傳遞監(jiān)測(cè)信號(hào),煤層地質(zhì)構(gòu)造的不確定性及機(jī)械作業(yè)的推進(jìn)使得通信線路的鋪設(shè)難度增加,維護(hù)困難,一旦通信電纜發(fā)生故障,將導(dǎo)致整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)癱瘓,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性[2-4]。無線通信中,ZigBee技術(shù)具有低成本、短時(shí)延、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[5],因此本文系統(tǒng)采用TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CC2530 射頻模塊組成簇狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由CC2530的終端節(jié)點(diǎn)采集溫濕度值、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等環(huán)境參數(shù),直接或經(jīng)路由器傳遞到協(xié)調(diào)器,再由協(xié)調(diào)器經(jīng)RS 232串口上傳給上位機(jī),由上位機(jī)提供預(yù)警功能。因此,隨著井下采煤作業(yè)的推進(jìn),只需往巷道上放置一個(gè)或多個(gè)采集節(jié)點(diǎn),加入無線網(wǎng)絡(luò),就能采集井下環(huán)境數(shù)據(jù),起到實(shí)時(shí)預(yù)警的作用。
1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
礦井環(huán)境突變預(yù)警系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)流可以分為三層:
(1)第一層,終端節(jié)點(diǎn)(ZigBee協(xié)議棧中定義為end_device)采集溫濕度數(shù)值、瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等參數(shù),在設(shè)計(jì)中定義一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為18 bit,因此單個(gè)節(jié)點(diǎn)就能采集3種以上的傳感器數(shù)據(jù),為兼顧實(shí)時(shí)性,目前單個(gè)節(jié)點(diǎn)采集1種信號(hào);
(2)第二層,終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議棧將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器或者直接送至協(xié)調(diào)器,為避免ZigBee網(wǎng)絡(luò)中路由過多造成廣播通信方式下的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴,協(xié)調(diào)器與路由器、終端節(jié)點(diǎn)間采用多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的點(diǎn)播通信方式,并能適應(yīng)井下采煤作業(yè)的推進(jìn)形成簇狀路由路徑,增強(qiáng)了無線信號(hào)的范圍,新節(jié)點(diǎn)也容易加入網(wǎng)絡(luò);
(3)第三層,協(xié)調(diào)器通過讀取子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址,并按此地址將數(shù)據(jù)匯總、整理,通過RS 232串口發(fā)送給上位機(jī),上位機(jī)上的LabVIEW將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理,完成預(yù)警系統(tǒng)的分析與顯示,分析的結(jié)果再由協(xié)調(diào)器通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行回饋,實(shí)現(xiàn)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的控制。
無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蚣苋鐖D1所示。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
本文系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)三種設(shè)備都以TI 公司的ZigBee SoC(片上系統(tǒng))單片機(jī) CC2530F256 芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。芯片內(nèi)部集成了一個(gè)高性能2.4 G RF收發(fā)器,8051 內(nèi)核,8 kB RAM 和最多高達(dá)256 kB的閃存,CC2530F256 結(jié)合德州儀器業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧[6](Z-StackTM),提供了一個(gè)強(qiáng)大、完整的ZigBee 解決方案,數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送都在協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā),因此體積小,抗干擾能力強(qiáng)。由于協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)功能不同,所需硬件電路不同,所以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.1 路由器/協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
CC2530 采用一體化集成射頻前端設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)單芯片ZigBee方案。模塊采用2.4 GHz ZigBee專用無線頻段,因此模塊上提供一個(gè)BNC天線接口 CN1和一個(gè)內(nèi)置在PCB電路板上的倒F天線,射頻電路如圖2所示。由于 CC2530天線輸出是特征阻抗為(69+j29)Ω的平衡天線信號(hào),而本系統(tǒng)采用的天線為50 Ω,7 dBi 的全向非平衡天線,故圖2中 L1,L2,C5,C13 構(gòu)成巴倫[7],進(jìn)行射頻信號(hào)的平衡到非平衡轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換。電路中C10,C11用于抵消CC2530輸出的感性分量和PCB板寄生電感,C6將巴倫和天線進(jìn)行耦合。系統(tǒng)采用32 MHz的晶振頻率,以提高芯片的響應(yīng)速度。C12,C14是負(fù)載電容,除此之外,電源VCC與地之間增加了去耦電容,以此減少電源波動(dòng)的干擾。CC2530芯片有1個(gè)串口輸出即UART0,用于和計(jì)算機(jī)配合使用傳輸數(shù)據(jù)。
路由器用來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信范圍,協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的通信,由于簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇芍芷谛怨ぷ?,因此可采用電池供電;而協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò),這些工作完成后就相當(dāng)于路由器,協(xié)助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)相互通信,并采用UPS電源供電。
2.2 傳感器采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
傳感器采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置在采煤、煤巷掘進(jìn)工作面上,隨著采煤作業(yè)的推進(jìn),傳感器節(jié)點(diǎn)也及時(shí)布置。
溫濕度的采集利用AOSONG的AM2305A第三代數(shù)字溫濕度傳感器[8-9],采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),確保數(shù)據(jù)采集的高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)部包括1個(gè)電容感濕元件和1個(gè)高精度測(cè)溫元件,并與1個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。金屬燒結(jié)鋁管探頭可探測(cè)高達(dá)125℃的高溫,具備防爆功能,采用單總線通信方式,靈敏度高。其主要參數(shù)如下:
溫度量程: -40~125℃;
濕度量程:0~99.9%RH;
溫度精度:±0.3℃;
濕度精度:±2 %RH;
分辨率:0.1℃/0.1 %RH;
衰減值:溫度<0.1°,濕度< 1 %RH;
響應(yīng)時(shí)間:1/e(63%)<5 s;
采樣周期:2 s,采用5 V電源供電。
由于AM2305A采用單總線結(jié)構(gòu),所以只需一條SDA線與CC2530單片機(jī)的P2_0連接,如圖2所示,接上電源VDD和GND,就完成了對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)。溫濕度偏差特性曲線和溫濕度傳感器的外形如圖3所示。
在煤礦生產(chǎn)過程中,隨著煤層采動(dòng),煤層中往往會(huì)涌出礦井瓦斯,與空氣混合,當(dāng)其體積百分比為5%~16%時(shí),遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸,給礦井的安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。瓦斯傳感器應(yīng)垂直懸掛在巷道上方風(fēng)流穩(wěn)定的位置,距頂板(頂梁)不得大于300 mm,距巷道側(cè)壁不得小于200 mm,并應(yīng)安裝維護(hù)方便,不影響行人和行車。為保障測(cè)量精度,選擇中煤工礦的KGJ16B型瓦斯傳感器,其原理是利用可燃?xì)怏w在催化劑的作用下進(jìn)行無焰燃燒,產(chǎn)生熱量,使元件電阻因溫度升高而發(fā)生變化,從而測(cè)知瓦斯?jié)舛?,用于檢測(cè)煤礦井下空氣中的瓦斯含量。其主要參數(shù)如下:
防爆形式:礦用隔爆兼本質(zhì)安全型;
測(cè)量范圍:0~4%的CH4;
響應(yīng)時(shí)間:小于20 s;
報(bào)警點(diǎn):0.3%~4.00%的CH4閾值可任意設(shè)置;
輸出信號(hào):電流為1~5 mA,負(fù)載電阻為0~500 Ω,供電電壓為9~24 V。
鑒于CC2530自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換,用DMA將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入存儲(chǔ)器,并通過電橋補(bǔ)償方式測(cè)定對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛取?/p>
測(cè)量井下粉塵使用PM100空氣質(zhì)量檢測(cè)儀——SDS198粉塵灰塵傳感器,其外觀如圖3(d)所示。該傳感器使用激光散射原理,能夠得到空氣中1~100 μm懸浮顆粒物濃度,使用激光器和感光部件,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,并直接以數(shù)字化形式輸出。主要參數(shù)如下:
測(cè)量輸出:全程PM100,量程為0~20 mg/m3;
工作電壓:5 V;
最大工作電流:120 mA;
響應(yīng)時(shí)間:<6 s;
串口數(shù)據(jù)輸出頻率:1 Hz;
靈敏度:1 μg/m3;
與CC2530單片機(jī)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)上傳,波特率為9 600 b/s,8位數(shù)據(jù),1位停止位,無檢驗(yàn)位;
串口上報(bào)通信周期:1.2 s;
數(shù)據(jù)幀(10 B):報(bào)文頭+指令號(hào)+數(shù)據(jù)(6 B)+校驗(yàn)和+報(bào)文尾。
由于采用串口通信,接口中的RXD,TXD與CC2530單片機(jī)的17,16腳對(duì)應(yīng)腳相連即可,同時(shí)兩個(gè)模塊的GND信號(hào)相連。
為了方便查看采集端的運(yùn)行狀態(tài),每個(gè)終端均配有OLED顯示屏,對(duì)采集到的環(huán)境信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示,其與CC2530的接線如圖2所示,主要由P1口的相關(guān)引腳實(shí)現(xiàn)控制。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上。協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)主要對(duì)硬件抽象層(Hardware Abstract Level,HAL) 和用戶應(yīng)用層(Application,APP) 進(jìn)行編寫修改。首先按照傳感器外圍的硬件接口在 hal_board_cfg.h 文件中修改相應(yīng)接口,以對(duì)應(yīng)實(shí)際硬件需求;然后通過用戶任務(wù)處理函數(shù)添加以下處理事件:按鍵觸發(fā)事件KEY_CHANGE,接收數(shù)據(jù)事件AF_INCOMING_MSG_CMD,設(shè)備狀態(tài)變化事件ZDO_STATE_CHANGE。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),終端節(jié)點(diǎn)判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),若未加入當(dāng)前網(wǎng)絡(luò),則申請(qǐng)加入。加入網(wǎng)絡(luò)成功后給出相應(yīng)提示:調(diào)用 HAL_TOGGLE_LED1(),LED 閃亮。在工作狀態(tài),終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)變化,即觸發(fā)接收數(shù)據(jù)事件,進(jìn)而調(diào)用消息發(fā)送函數(shù) SampleApp_SendFlashMessage(),在消息發(fā)送函數(shù)中根據(jù)具體的觸發(fā)類型做出相應(yīng)判斷,從而向協(xié)調(diào)器發(fā)送相應(yīng)消息,完成終端節(jié)點(diǎn)將傳感器數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)器的發(fā)送。協(xié)調(diào)器部分則通過數(shù)據(jù)接收事件 AF_INCOMING_MSG_CMD 的觸發(fā)進(jìn)入消息處理函數(shù) SampleApp_ MessageMSGCB(),依據(jù)接收的數(shù)據(jù)類型向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù),完成對(duì)應(yīng)事件的處理。
由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用一塊單片機(jī)實(shí)現(xiàn),因此在代碼中采用統(tǒng)一的封裝形式。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包可使用一個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)
現(xiàn)[10],其中包含數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)字符、后導(dǎo)字符,此外還包含該節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型、節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址、采集日期的時(shí)間信息以及所采集到的傳感器數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)的剩余電量。以采集的溫度為例,數(shù)據(jù)包的格式定義見表1所列。
數(shù)據(jù)前導(dǎo)字符與后導(dǎo)字符均使用一個(gè)字符“*”表示。設(shè)備類型一般為路由器ROU或終端END,簡(jiǎn)寫成R/E;子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址通過函數(shù)nwk=NLME_GetShortAddr()得到,用于區(qū)分對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)是否正常工作。采集日期時(shí)間信息占用6位,采用BCD碼的壓縮格式傳輸,便于歷史信息查閱及繪制動(dòng)態(tài)圖。傳感器數(shù)據(jù)按照采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行填充,如溫度數(shù)據(jù)可寫為W23°,表示溫度為23 ℃,濕度數(shù)據(jù)可寫為H35,表示濕度為35%RH,瓦斯?jié)舛群坑肧124表示,粉塵濃度用PM23表示等,節(jié)點(diǎn)電量利用CC2530自帶的ADCCON3對(duì)正電源參考電壓進(jìn)行采樣判定,便于掌握節(jié)點(diǎn)的工作耗能情況。數(shù)據(jù)包的聯(lián)合體C語(yǔ)言表示如下:
溫濕度傳感器AM2305A采用單總線接口,需要用I/O口模擬SDA信號(hào)。瓦斯傳感器中瓦斯的無焰燃燒使元件電阻因溫度升高而發(fā)生變化,導(dǎo)致電阻不同,經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路得到對(duì)應(yīng)電壓,再通過CC2530的A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)。粉塵傳感器通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送給CC2530,這些需要通過編程實(shí)現(xiàn),并將得到的數(shù)據(jù)填充在數(shù)據(jù)包的傳感器數(shù)據(jù)部分。上述數(shù)據(jù)包幀格式中,如果不需要提供歷史查詢功能,采集日期時(shí)間信息的6個(gè)字節(jié)單元可以用于其他傳感器數(shù)據(jù)的填充,如果不需查驗(yàn)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備是否正常工作,子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址的4個(gè)字節(jié)也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集。
3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器的主要功能[11-12]為:發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令至終端,接收終端節(jié)點(diǎn)或者路由器轉(zhuǎn)發(fā)過來的傳感器數(shù)據(jù),將傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)PC。在代碼實(shí)現(xiàn)方面,協(xié)調(diào)器根據(jù)afIncomingMSGPacket_t中的事件判斷當(dāng)前是按鍵狀態(tài)改變、無線數(shù)據(jù)輸入還是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化,并做出相應(yīng)的動(dòng)作。如果是無線數(shù)據(jù)輸入,調(diào)用協(xié)議棧存儲(chǔ)函數(shù)osal_memcpy(),將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中,并將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過串口上傳至上位機(jī),具體代碼如下所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。
3.2 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)指令采集溫濕度值、瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度,其具體流程如圖5所示。
終端節(jié)點(diǎn)上電初始化,搜索無線網(wǎng)絡(luò)。若搜尋到網(wǎng)絡(luò),則請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)[13-15]。加入無線網(wǎng)絡(luò)后轉(zhuǎn)入低功耗模式,等待協(xié)調(diào)器發(fā)出指令喚醒。當(dāng)接收到來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)采集命令后,節(jié)點(diǎn)被喚醒,接著讀取傳感器數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。若協(xié)調(diào)器無應(yīng)答,則需要發(fā)送問詢信號(hào),與協(xié)調(diào)器確保通信成功后再次進(jìn)入低功耗模式,以此減少功耗,使節(jié)點(diǎn)維持更長(zhǎng)的工作時(shí)間。
3.3 上位機(jī)LabVIEW的軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是為了實(shí)時(shí)查看礦井環(huán)境數(shù)據(jù),并做出分析處理[16-17]。在VI設(shè)計(jì)界面,調(diào)出三幅實(shí)時(shí)波形圖,用于繪制歷史數(shù)據(jù),數(shù)值顯示端口用于顯示溫濕度數(shù)據(jù)、瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)、粉塵濃度數(shù)據(jù),上位機(jī)通過開關(guān)按鍵給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令,終端狀態(tài)也通過狀態(tài)欄進(jìn)行信息顯示。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能,三類數(shù)據(jù)都設(shè)置上下限,如果越限,實(shí)時(shí)報(bào)警。在與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信時(shí),串口的波特率為9 600 b/s,8位數(shù)據(jù),無檢驗(yàn)位,1位停止位。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)庫(kù)管理操作需要對(duì)多個(gè)子虛擬儀器進(jìn)行設(shè)置,主要包括參數(shù)設(shè)置、修改設(shè)備、修改測(cè)量點(diǎn)信息、顯示模塊的信息和測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)狀態(tài)參數(shù)等。上位機(jī)LabVIEW的軟件界面如圖6所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文以CC2530 射頻模塊組成簇狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò),由CC2530的終端節(jié)點(diǎn)采集到礦井的溫濕度值、瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度等環(huán)境參數(shù),直接或經(jīng)路由器傳遞到協(xié)調(diào)器,再由協(xié)調(diào)器經(jīng)RS 232串口上傳至PC 機(jī)的上位機(jī)LabVIEW,實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析,并實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警或控制其他機(jī)械運(yùn)作以避免人財(cái)損失。實(shí)際測(cè)試表明,該系統(tǒng)具有成本低、組網(wǎng)靈活、測(cè)量精度高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境突變的預(yù)警作用。該作品在2017中國(guó)南通文化創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽——產(chǎn)品設(shè)計(jì)大賽中榮獲優(yōu)秀獎(jiǎng)。
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