李婷 王振翀 袁守浩

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院 100083

帶式輸送機(jī)無(wú)線保護(hù)傳感器軟件開發(fā)研究

李婷 王振翀 袁守浩

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院 100083

帶式輸送機(jī)是煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，由于連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境惡劣和檢測(cè)手段落后等因素，其生產(chǎn)事故也越來越突出。這不僅影響煤炭企業(yè)的正常生產(chǎn)、損壞機(jī)器，甚至還會(huì)引發(fā)安全事故。論文對(duì)傳感器軟件開發(fā)的具體技術(shù)進(jìn)行。

帶式輸送機(jī)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；μC/OS-II；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線通信

belt conveyer,；wireless sensor networks,；μC/ OS-II；data collection; wireless communication

1、概述

我國(guó)煤礦帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)部件[1]在可靠性、靈敏性、壽命等方面還有待提高，并且這些檢測(cè)保護(hù)器件往往是相互獨(dú)立的。根據(jù)測(cè)帶式輸送機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際需求和傳感器節(jié)點(diǎn)的不同功能，移植了μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，并開發(fā)了測(cè)量節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層軟件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)傳送。

2、帶式輸送機(jī)無(wú)線傳感器總體設(shè)計(jì)

在綜合考慮帶式輸送機(jī)的工作特點(diǎn)和無(wú)線通信的有效范圍等因素之后，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖1所示的用于帶式輸送機(jī)保護(hù)的鏈?zhǔn)綗o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

調(diào)心托輥一般按照間隔50米的距離進(jìn)行布置，布置在托輥轉(zhuǎn)軸處、用于檢測(cè)托輥轉(zhuǎn)動(dòng)角度的傳感器，組成圖中長(zhǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的主體。在帶式輸送機(jī)的機(jī)頭驅(qū)動(dòng)滾筒處，安裝有檢測(cè)驅(qū)動(dòng)滾筒表面溫度的傳感器和檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速的傳感器。在輸送機(jī)的從動(dòng)滾筒（尾輪）處，也安裝有檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速的傳感器。

為了防止節(jié)點(diǎn)失效而影響數(shù)據(jù)通信[2]，在長(zhǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的沿線隨機(jī)布置一定數(shù)量的路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)長(zhǎng)鏈中的角度傳感器由于斷電等原因停止工作后，在機(jī)頭的其他傳感器節(jié)點(diǎn)仍然可以經(jīng)過路由器將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

圖1 帶式輸送機(jī)保護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)

3、傳感器軟件開發(fā)研究

在操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)過程調(diào)度的基礎(chǔ)上，可以將傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為硬件抽象、網(wǎng)絡(luò)接口和應(yīng)用程序三個(gè)主要部分。

1).硬件抽象實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件的抽象，包括傳感元件子模塊、IPLink 無(wú)線射頻收發(fā)子模塊、輸入輸出設(shè)備子模塊和電源控制子模塊等，其作用是為上層應(yīng)用屏蔽底層的硬件細(xì)節(jié)，從而方便系統(tǒng)平臺(tái)的移植。

2).網(wǎng)絡(luò)接口支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這一功能主要通過Helicomm公司的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

3).應(yīng)用程序部分則涵蓋了傳感器節(jié)點(diǎn)的一些具體的應(yīng)用功能。

3.1 μC/OSII嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

在μC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件框架：

通過文件的組織實(shí)現(xiàn)了分層的代碼結(jié)構(gòu)，其中，最上層是應(yīng)用程序的代碼，用來實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的不同應(yīng)用。中間層包括三部分：

圖2 嵌入式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

圖3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件框架

1).μC/OS-II 的內(nèi)核以及與μC/OS II 移植有關(guān)的代碼；

2).傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的代碼，提供網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。

3).硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)，提供硬件模塊的訪問，為協(xié)議和上層應(yīng)用屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，包括了IP-Link 無(wú)線模塊、ADC、存儲(chǔ)器、Timer、傳感元件等。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集程序

表1 IP-Link 模塊的基本數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖5 STC與IP-Link中單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸程序

（1）A/D 轉(zhuǎn)換程序

STC12LE5410AD 單片機(jī)[3]有8 組10－bit ADC 接受傳感元件的模擬信號(hào)輸入：ADC#0～ADC#7。

當(dāng)成功返回測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，首字節(jié)和末字節(jié)應(yīng)該組合到一起，以獲得ADC 采樣的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

此采樣數(shù)據(jù)將會(huì)使用下面的C代碼被重建：

ADC_Value=(ADC_High_Byte＜＜8)|(ADC_Low_Byte);

設(shè)置使用3.3V 電壓作為A/D 轉(zhuǎn)換的參考電壓，輸入ADC 的輸入端信號(hào)電壓范圍應(yīng)在0～3.3V之間。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換初始化流程圖

（2）頻率法轉(zhuǎn)速測(cè)量程序

為了實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)功能，將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號(hào)接到STC單片機(jī)的INT0口，并通過配置TCON，TMOD實(shí)現(xiàn)脈沖捕獲功能。方波信號(hào)的頻率可以通過計(jì)算兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間推算出來。然后再根據(jù)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，計(jì)算出滾筒轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速測(cè)量程序設(shè)計(jì)主要由中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。

（3）通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)對(duì)傳感元件測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后，首先必須進(jìn)行按照上述的通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[4]，然后處理后的數(shù)據(jù)作為負(fù)載段，按IP Link122X 的基本幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行打包，然后通過串行接口傳送IPLink122X，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳送。

制定通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，控制中心在收到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的一組數(shù)據(jù)后，經(jīng)過解析可以了解到傳感器節(jié)點(diǎn)的類型、工作狀態(tài)和測(cè)量的參數(shù)等。

3.3 微處理器與無(wú)線模塊的通信

設(shè)計(jì)選擇串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用單片機(jī)自身的TTL電平直接傳輸信息。當(dāng)STC單片機(jī)開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)[5]，先送一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，IP Link122X 中的單片機(jī)收到請(qǐng)求信號(hào)后，回復(fù)一個(gè)信號(hào)，表示同意接受。當(dāng)STC單片機(jī)接受到該應(yīng)答信號(hào)后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一次便求校驗(yàn)和。比如發(fā)送一個(gè)18字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為buf，數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢后馬上發(fā)送校驗(yàn)和。

IP Link122X 中的單片機(jī)接受數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)buf，每接受一次便計(jì)算一次校驗(yàn)和，當(dāng)收齊一個(gè)數(shù)據(jù)塊后，再接受STC單片機(jī)發(fā)來的校驗(yàn)和，并將它與自己求出的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。若兩者相等，說明接受正確，若兩者不相等，說明數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)誤，請(qǐng)求重新發(fā)送。

STC單片機(jī)接受到正確的回復(fù)后，結(jié)束發(fā)送，如果接受到重新發(fā)送的請(qǐng)求，則將數(shù)據(jù)再發(fā)一次。雙方有約定的波特率。

3.4 傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層

本文的工作是設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)無(wú)線保護(hù)傳感器，因此主要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)。傳感器節(jié)點(diǎn)通電工作以后，主要執(zhí)行步驟如下：

首先進(jìn)行硬件初始化（包括MCU的時(shí)鐘起振、各層的硬件支持的初始化、無(wú)線模塊的初始化等）；

其次尋找網(wǎng)絡(luò)并申請(qǐng)加入，在成功加入傳感器網(wǎng)絡(luò)之后，進(jìn)行地址綁定，這樣可以讓傳感器節(jié)點(diǎn)的地址信息出現(xiàn)在協(xié)調(diào)器的綁定表中，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的關(guān)聯(lián)；

最后進(jìn)入事件輪詢循環(huán)，傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)查詢有無(wú)事件發(fā)生。事件輪詢分硬件、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層、應(yīng)用層等，均要查詢各自的事件。

4、總結(jié)

本論文主要進(jìn)行了基于ZigBee 技術(shù)的帶式輸送機(jī)無(wú)線保護(hù)傳感器的軟件開發(fā)，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、STC12LE5410AD 和IP Link 無(wú)線通信模塊組成。在ZigBee 協(xié)議棧基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了鏈?zhǔn)降木W(wǎng)絡(luò)組建。本章對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件程序的體系結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)思想和具體實(shí)現(xiàn)方法作了深入探討和總結(jié)。不同的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的固件程序不一樣，但其體系結(jié)構(gòu)卻是相同的。

[1]孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng).北京：煤炭工業(yè)出版社.2006：1-6

[2]陳維健，齊秀麗，肖林京等.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.2007：45-46

[3]趙玉文，李云海.帶式輸送機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).煤礦機(jī)械.2004（4）

[4]祝龍記，王汝琳.礦井膠帶輸送機(jī)分布式智能控制系統(tǒng).工礦自動(dòng)化.2003（8）

[5]李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

Research on the software development of belt conveyer’s wireless protection sensors

Li Ting Wang Zhenchong Yuan Shouhao
China University of Mining and Technology Beijing 100083

Belt conveyer is a key component of mining transportation system, the disaster caused by belt conveyer happened frequently for its long-time operation, bad working condition and obsolete protection device. The breakdown of belt conveyer will affect the transportation as well as damage the machine and even might cause death to mining workers. This thesis aims to research on the detailed software development technologies of belt conveyer sensor nodes.

TP393

李婷（1985- ） 女 陜西 碩士 電氣工程。