馬永強(qiáng)

（河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 河北 邯鄲 056038）

引言

礦井多繩摩擦提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)中的主要提升設(shè)備，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》423 條規(guī)定：“任一根提升鋼絲繩的張力與平均張力之差不得超過±10%”。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響[1]，可能使提升過程中各根鋼絲繩之間出現(xiàn)張力不平衡，從而降低鋼絲繩的使用壽命，甚至引發(fā)各種惡性事故。

在分析國內(nèi)外提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測研究現(xiàn)狀[2-3]的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種自組無線網(wǎng)的礦井多繩提升機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)，在不影響連續(xù)生產(chǎn)的條件下，對鋼絲繩受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過高集成度、低功耗的射頻芯片構(gòu)成的自組無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心，以便工作人員及時(shí)了解各根鋼絲繩受力情況，采取應(yīng)對措施，減少事故隱患做到安全生產(chǎn)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井多繩提升機(jī)工作的環(huán)境特點(diǎn)與無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本要求，整個(gè)系統(tǒng)分無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)三大部分。無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)中的各個(gè)無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)完成對鋼絲繩張力、供電電池電量、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收到由監(jiān)控中心傳來的取值指令后，把采集的數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡(luò)，采用中繼路由的方式傳送給主控節(jié)點(diǎn)，再由主控節(jié)點(diǎn)打包給監(jiān)控中心。上位機(jī)系統(tǒng)對從現(xiàn)場傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果所顯示的需求對系統(tǒng)中的執(zhí)行器件發(fā)出相應(yīng)控制命令。

無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各無線節(jié)點(diǎn)電路主要由微控制器C8051F310 和無線射頻收發(fā)模塊Si4432 組成。自組網(wǎng)礦井多繩提升機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)自組無線通信網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)無線通信設(shè)計(jì)需求，自組無線通信網(wǎng)由傳感器數(shù)據(jù)采集無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、基站中繼無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)幾部分組成。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路中的張力傳感器內(nèi)部為應(yīng)變電橋結(jié)構(gòu)，傳感器受壓變形后，應(yīng)變片阻值發(fā)生改變，經(jīng)過電橋變換輸出毫伏級電壓信號。為避免因輸出信號過低、微控制器檢測靈敏度差的問題，在傳感器輸出端采用AD620 放大電路對信號進(jìn)行600 倍放大。對放大后的模擬電壓信號采用差分輸入形式，通過C8051F310 內(nèi)部ADC0 的通道0 和通道1 進(jìn)行24 位高精度A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理?？紤]到采集模塊在實(shí)際工作環(huán)境中存在一定的干擾，如果只對采樣一次A/D 結(jié)果進(jìn)行輸出，其結(jié)果是不可靠的。本系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送前，對數(shù)據(jù)多次采樣，并采用算術(shù)平均值濾波法[4]消除隨機(jī)干擾對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

傳感器數(shù)據(jù)采集無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無線通信自組網(wǎng)中處于終端位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)時(shí)分配一個(gè)屬于自身的地址，當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)檢測到來自網(wǎng)絡(luò)廣播指令中存在與自身匹配的地址時(shí)，把采集和處理后的數(shù)據(jù)交給鄰近范圍內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)，再利用網(wǎng)絡(luò)路由功能傳送到主控節(jié)點(diǎn)。

2.2 基站中繼無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)通信協(xié)議要求，基站中繼無線網(wǎng)絡(luò)具有實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入無線通信網(wǎng)絡(luò)的指令和數(shù)據(jù)在各個(gè)中繼無線節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行尋址、交換、廣播等功能。

基站中繼無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)在無線通信自組網(wǎng)中地位相等，主要承擔(dān)路由功能，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都具有報(bào)文的收發(fā)功能，受傳輸范圍的限制，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不能直接通信時(shí)，可以通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，本質(zhì)上提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

2.3 主控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

主控節(jié)點(diǎn)在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起著“中樞”的作用，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)無線通信協(xié)議中指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)的處理和分析以及對數(shù)據(jù)處理結(jié)果響應(yīng)等。該節(jié)點(diǎn)采用具有高性能、處理速度快、低功耗的嵌入式ARM Cortex-M3 內(nèi)核的增強(qiáng)型STM32 型號16 位MCU 為核心設(shè)計(jì)，包括液晶顯示電路、語音報(bào)警電路、功能按鍵選擇電路、與上位機(jī)的RS232 串口通信轉(zhuǎn)換電路等。

2.4 自組網(wǎng)無線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.4.1 通信數(shù)據(jù)包格式

各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)中的Si4432 芯片支持包和流兩種方式收發(fā)數(shù)據(jù)，為了便于組網(wǎng)的設(shè)計(jì)，選擇數(shù)據(jù)包的方式。數(shù)據(jù)包格式包括8 位前導(dǎo)碼、8 位同步字、12 位地址位、24 位數(shù)據(jù)位、16 位校驗(yàn)位。在無線組網(wǎng)中通過配置數(shù)據(jù)包的地址位來識別不同的無線節(jié)點(diǎn)。

2.4.2 自組網(wǎng)通信協(xié)議

無線自組網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊位置、任務(wù)的不同，決定其在通信中的角色不同。在無線自組通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由器角色，參與通信的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是相互獨(dú)立運(yùn)行。固定在鋼絲繩上的傳感器終端節(jié)點(diǎn)由于提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)，位置通常不能預(yù)先確定，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與所有中繼節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也不確定。因此，要求每個(gè)前端的中繼節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動(dòng)尋找在它通信范圍內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的自組織性要求能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議程序流程圖如圖2 所示。

2.5 節(jié)點(diǎn)模塊供電電源

自組無線通信網(wǎng)中的各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)在安裝中受煤礦實(shí)際環(huán)境限制，各節(jié)點(diǎn)供電電源均選取工業(yè)型12 V、12 A 蓄電池。每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊電源入口電路板上設(shè)計(jì)有開關(guān)電源電路，完成把12 V 電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V 電壓后給MCU 和si4432 模塊供電任務(wù)。為保證電池可靠供電，每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊電路中利用C8051F310 的ADC0 輸入通道2 設(shè)計(jì)有電池電量檢測電路，當(dāng)電池電量低于無線節(jié)點(diǎn)可靠工作的需求電壓時(shí)，觸發(fā)電量虧欠報(bào)警中斷程序，通過主控節(jié)點(diǎn)語音提示工作人員更換電池。另外，為延長電池使用時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送或接收完成后，在程序控制中，根據(jù)程序進(jìn)程選擇MCU 和si4432 處不同工作模式，從而在系統(tǒng)喚醒時(shí)間和功耗之間達(dá)到一個(gè)最佳平衡，進(jìn)一步降低功耗。本系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)，可使每塊電池使用時(shí)間達(dá)一年以上。

圖2 無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信流程圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)采用NI 公司的Labview 工具進(jìn)行開發(fā)。與前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過串口通信，上位機(jī)最終得到各鋼絲繩傳感器數(shù)據(jù)及提升設(shè)備行程和到位信號，并根據(jù)設(shè)定規(guī)則進(jìn)行提升系統(tǒng)的故障分析及判斷。上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)六大功能：系數(shù)標(biāo)定、報(bào)警設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)曲線顯示、提升機(jī)實(shí)時(shí)位置圖形顯示等，如圖3 所示。根據(jù)各部分上位機(jī)程序功能要求，進(jìn)行模塊化程序設(shè)計(jì)。

圖3 上位機(jī)總體功能框圖

4 測試與分析

4.1 無線節(jié)點(diǎn)通訊距離及自組網(wǎng)路由功能試驗(yàn)

對裝有標(biāo)準(zhǔn)匹配阻抗柱狀天線的Si4432 無線節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行通訊距離測試。在無線模塊寄存器配置頻段為433 MHz、輸出功率為+20 dBm 和傳輸速率為1 200 bps 的條件下，分別在空曠野外和有樓房與樹木阻擋的市區(qū)進(jìn)行通訊測試，通過觀察相鄰兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)電路液晶屏上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)各字節(jié)是否一致，了解網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)比對，在以上兩個(gè)測試環(huán)境中，無失真數(shù)據(jù)傳輸距離可以分別達(dá)到900 m 和600 m 左右。在考慮到礦井實(shí)際環(huán)境因素以及不同天氣狀況對無線電波傳輸距離存在一定影響，綜合認(rèn)定該無線模塊在500 m 以內(nèi)的可靠通信能得到保證。

在自組網(wǎng)路由的功能試驗(yàn)中，采用1 個(gè)主控節(jié)點(diǎn)、4 個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和3 個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，模擬礦井提升機(jī)系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行布局。在布局時(shí)，相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離都在100 m 左右（為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的天線周圍增加屏蔽，減小傳輸距離，以便布局）。在試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)模塊隨機(jī)自由移動(dòng)，以模仿提升罐工作的上下運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自組網(wǎng)無線通信協(xié)議的繞行能力較好，穩(wěn)定性良好，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“就近原則”傳輸，最終達(dá)到各節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)的預(yù)期效果。

4.2 傳感器數(shù)據(jù)采集電路參數(shù)檢測

傳感器采集電路在安裝運(yùn)行前要進(jìn)行各項(xiàng)電路參數(shù)測試，對輸出結(jié)果進(jìn)行修正，以便得到提升設(shè)備上各根鋼絲繩張力的實(shí)際數(shù)據(jù)。在鋼絲繩牽引的提升設(shè)備不同的負(fù)載情況下，分多次對固定安裝在鋼絲繩上的傳感器采集電路參數(shù)進(jìn)行檢測，表1 給出部分檢測結(jié)果。

表1 檢測數(shù)據(jù)表明，該張力傳感器采集電路采集信號精度高、靈敏度大、誤差小，滿足工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)測量需要。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

基于無線自組網(wǎng)的礦井多繩摩擦提升機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)集多種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、無線通信、報(bào)警等功能于一體，具有組網(wǎng)簡單、采集數(shù)據(jù)精度高、功耗低等特點(diǎn)，可極大提高礦井提升設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中的安全系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)自組網(wǎng)通信可靠、運(yùn)行穩(wěn)定性好，應(yīng)用前景十分廣闊，有很好的推廣價(jià)值。