矿井通风机智能监控系统的研究

2022-01-27秦宁

机械管理开发 2021年12期

秦宁

（山西忻州神达南岔煤业有限公司，山西忻州 036700）

目前矿井通风机的状态监测系统普遍通过电缆进行传输，但在部分矿井工作面难以实现，尤其是在恶劣的矿井环境中，无法满足部分地域的有线传输。由于矿井通风机监测参数数量较大，监测节点分布广泛，特别需要设计一种基于无线传感器网络的条件监测系统，无线传感器网络的应用可以消除传统电缆之间传输的不便。该系统旨在监测矿井通风机的运行情况，并提前进行预警。它基本上分为两部分，即硬件和软件，硬件由1 个接收器节点、传感器节点、工业个人计算机和几个传感器组成；软件包括ZigBee 协议堆栈和组态软件。节点的堆栈是TI 的Z-堆栈，主芯片是TI 的CC2430[1]。

1 无线传感器网络节点的设计

1.1 网络框架设计

本次设计的矿井通风机智能监测和报警系统可收集或计算矿井通风机的振动、温度、负压、风量等数据信息。该系统由1 个工业个人计算机、1 个沉槽节点、多个传感器节点、至少4 个温度传感器、2 个振动传感器和1 个压力传感器组成。其中，传感器节点通过ZigBee 无线传感器网络与接收器节点进行通信，接收器节点通过串口与电脑上的配置软件进行连接。

图1 为监控系统的示意图。一个ZigBee 星形网络由1 个接收节点和传感器节点共同建立起来，接收器节点负责接收来自每个传感器节点的数据，数据通过串口传输到电脑上的监控和报警系统。监控系统用于实时监测、报警等，其中包含1 台工业个人电脑、2 个接收节点、3 个传感器节点、4 个温度传感器、5 个压力传感器、6 个振动传感器[2]。

图1 智能监测系统的网络组成示意图

1.2 接收器节点的设计

接收器节点由电源模块、串行模块、CC2430 模块和其他组件组成。CC2430 是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS 解决方案，它是专门为IEEE802.15.4 和ZigBee 应用程序定制的[3]。CC2430 结合了领先的CC2420 射频收发器的卓越性能以及工业标准增强的8051MCU、32/64/128KB 闪存、8KBRAM 和许多其他强大的功能，并与业界领先的ZigBee 协议栈（Z-Stack）相结合。CC2430 工作电压为3～3.3 V，因此，电压转换模块应将电压从5 V 降至3.3 V，采用5 V 交流/ 直流电源适配器。串行端口模块由MAX3232E 和外围电路组成。考虑到距离因素，还设计了MAX485 电路，使接收节点与PC 之间的距离扩展到1 200 m 以上，提高了系统的可操作性。

1.3 传感器节点的设计

传感器节点由传感器节点主芯片CC2430 模块（见图2）、关键控制模块、电源转换模块、外部传感器接口模块、温度测量的桥接电路、I/V 转换电路和天线接口组成。传感器模块负责收集数据[4]。

图2 CC2430 芯片模块

由于该系统需要实时监测，特别是振动和压力传感器需要24 V 直流电源，因此传感器节点采用24 V 直流供电。24 V 直流电源的好处是不需要考虑低功率设计和电源管理。在功率转换模块中，选择直流/直流电源模块BSD5-24D15，其输入电压为18～36V，输出电压为±15 V，输出电压精度为±1%。因此，BSD5-24D15 能够满足各种类型芯片的功率需求。桥接电路负责将PT100 温度传感器的电阻输出信号转换为电压信号，以测量温度[5]。

由于CC2430 只能采集电压信号，因此必须将振动电流输出信号、压力传感器转换为电压信号。于是，设计了调节电路，将4～20 mA 的电流信号转换为0～3 V 的电压信号，用于CC2430 采样。4～20 mA电流信号的调节电路如图3 所示，该电路由运算放大器LM324 和其它部件组成[6]。在图3 中，P1 是传感器的电流输出信号的接口；P3 和P4 是电位计；CC2430 的P0.2 用于采集信号。为获取传感器节点的多功能性，对每个节点进行了可收集2 个温度信号和2 个4～20 mA 信号的设计。

图3 4～20 mA 电流信号的调节电路

2 通信协议的应用

该系统的软件开发环境为IAREW7.30，协议栈为TI 的ZStack。Z-堆栈的系统流程如图4 所示。Z-堆栈的主要工作过程可分为系统启动、禁用所有中断、驱动程序初始化、OSAL 初始化和启动、轮询任务等多个阶段。执行操作系统时，按优先级检查每个任务的准备情况，如果某些任务已准备就绪，OSAL 将调用相应的事件处理程序来处理该事件，直到轮询并执行所有准备就绪的任务为止。

图4 Z-堆栈的系统流程示意图

根据IEEE802.15.4 和ZigBee 标准，将Z-Stack分为以下几层：API（应用程序编程接口）、HAL（硬件抽象层）、MAC（媒体Access 控件）、NWK（ZigBee 网络层）、OSAL（操作系统抽象系统）、安全、服务、ZDO（ZigBee 设备对象）。其中，Z-Stack 通过TI 创建了HAL、MAC、NWK、OSAL、安全、服务和ZDO 层。用户无需修改这些功能，只需要创建API 层的自定义任务和事件处理程序即可。

Z-Stack 按任务轮询事件构成了“事件—任务—操作系统”的这样一种调度机制，操作系统负责调度多项任务，每个任务都包含多个事件。添加新任务的三个修改步骤如下：向任务初始化功能添加新任务osalInitTasks（）；向新任务中添加多个事件；为每个新创建的用户的任务添加两个相关的处理程序，即初始化处理程序和事件处理程序：APP_Init（）、APP_ProcessEvent（）。

3 监控软件开发

此外，还需要设计一个监控设备运行情况和实现异常行为报警的监控软件。该软件包括以下功能：实时显示每个节点的数据；显示传感器节点的实时信号曲线和历史趋势曲线；参数设置，包括报警限制等；报警、报告生成和报告查询；数据库管理。

选用KingView6.53 作为矿井通风机状态监测系统的开发平台，由北京井控技术开发有限公司开发。通过该系统可监控矿井通风机的运行情况，也可实现异常行为报警。矿井通风机监控软件的主界面如图5 所示。矿井通风机运行状态以动画形式显示，运行工况点可参照气压与压力的关系曲线获得，监测参数则参照监测表。这些模型真实地反映了矿井通风机的实时运行条件。

图5 通风机监控主界面示意图

4 KingView 与接收器节点之间的通信程序

由于KingView 没有CC2430 的驱动程序，因此需要根据所选的芯片来开发该驱动程序。一般通过以下三种方法来实现通信：用户可以通过KingView驱动程序开发包开发自己的通信驱动程序，本方法适合专业制造商；用户可以通过DDE 手段进行通信，但该方法更复杂，不太实时；而KingView 提供了通用通信协议，具有相对简单、通信良好且实时的特点。因此，本文采用了第三种方法。

首先需要设置通信端口的参数，然后根据通用通信协议的格式来定义KingView 中的设备地址和寄存器。本文采用C 语言的ASCII 代码设计。

根据通用通信协议，当KingView 读取数据时，如果读取正常，CC2430 为格式1，否则CC2430 为格式2。同时将环境参数变化情况以有数据编译的形式，通过曲线图形展示给后台的技术管理人员，以对环境参数进行监测，从而有效地对矿井通风机的实时运行情况进行了展示，如图6 所示为环境参数数据曲线的监测示意图。