帶式輸送機無線保護傳感器軟件開發研究

李婷 王振翀 袁守浩

中國礦業大學（北京）機電學院 100083

帶式輸送機無線保護傳感器軟件開發研究

李婷 王振翀 袁守浩

中國礦業大學（北京）機電學院 100083

帶式輸送機是煤炭運輸的主要設備，由于連續運行時間長，工作環境惡劣和檢測手段落后等因素，其生產事故也越來越突出。這不僅影響煤炭企業的正常生產、損壞機器，甚至還會引發安全事故。論文對傳感器軟件開發的具體技術進行。

帶式輸送機；無線傳感器網絡；μC/OS-II；數據采集；無線通信

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

1、概述

我國煤礦帶式輸送機保護系統的檢測部件[1]在可靠性、靈敏性、壽命等方面還有待提高，并且這些檢測保護器件往往是相互獨立的。根據測帶式輸送機保護系統的實際需求和傳感器節點的不同功能，移植了μC/OS-II嵌入式操作系統，并開發了測量節點的應用層軟件，實現了運行參數的測量，無線傳感器網絡的組建和數據傳送。

2、帶式輸送機無線傳感器總體設計

在綜合考慮帶式輸送機的工作特點和無線通信的有效范圍等因素之后，我們設計了圖1所示的用于帶式輸送機保護的鏈式無線傳感器網絡拓撲結構。

調心托輥一般按照間隔50米的距離進行布置，布置在托輥轉軸處、用于檢測托輥轉動角度的傳感器，組成圖中長鏈式結構的主體。在帶式輸送機的機頭驅動滾筒處，安裝有檢測驅動滾筒表面溫度的傳感器和檢測滾筒轉速的傳感器。在輸送機的從動滾筒（尾輪）處，也安裝有檢測滾筒轉速的傳感器。

為了防止節點失效而影響數據通信[2]，在長鏈式結構的沿線隨機布置一定數量的路由節點，當長鏈中的角度傳感器由于斷電等原因停止工作后，在機頭的其他傳感器節點仍然可以經過路由器將監測數據發送到協調器。

圖1 帶式輸送機保護傳感器網絡的鏈式拓撲結構

3、傳感器軟件開發研究

在操作系統負責過程調度的基礎上，可以將傳感器節點的軟件結構設計為硬件抽象、網絡接口和應用程序三個主要部分。

1).硬件抽象實現對傳感器節點硬件的抽象，包括傳感元件子模塊、IPLink 無線射頻收發子模塊、輸入輸出設備子模塊和電源控制子模塊等，其作用是為上層應用屏蔽底層的硬件細節，從而方便系統平臺的移植。

2).網絡接口支持無線傳感器網絡協議，這一功能主要通過Helicomm公司的ZigBee 網絡協議實現。

3).應用程序部分則涵蓋了傳感器節點的一些具體的應用功能。

3.1 μC/OSII嵌入式實時操作系統

在μC/OS-II 嵌入式操作系統的基礎上，本文實現了傳感器節點的軟件框架：

通過文件的組織實現了分層的代碼結構，其中，最上層是應用程序的代碼，用來實現傳感器節點系統的不同應用。中間層包括三部分：

圖2 嵌入式操作系統的結構框架

圖3 無線傳感器節點的軟件框架

1).μC/OS-II 的內核以及與μC/OS II 移植有關的代碼；

2).傳感器網絡協議的代碼，提供網絡層和數據鏈路層的功能。

3).硬件設備驅動，提供硬件模塊的訪問，為協議和上層應用屏蔽了硬件實現的細節，包括了IP-Link 無線模塊、ADC、存儲器、Timer、傳感元件等。

3.2 傳感器數據采集程序

表1 IP-Link 模塊的基本數據幀結構

圖5 STC與IP-Link中單片機的數據傳輸程序

（1）A/D 轉換程序

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

當成功返回測量數據時，首字節和末字節應該組合到一起，以獲得ADC 采樣的準確數據。

此采樣數據將會使用下面的C代碼被重建：

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

設置使用3.3V 電壓作為A/D 轉換的參考電壓，輸入ADC 的輸入端信號電壓范圍應在0～3.3V之間。

圖4 A/D轉換初始化流程圖

（2）頻率法轉速測量程序

為了實現脈沖計數功能，將霍爾轉速傳感器的輸出信號接到STC單片機的INT0口，并通過配置TCON，TMOD實現脈沖捕獲功能。方波信號的頻率可以通過計算兩個下降沿之間的時間推算出來。然后再根據每轉產生的脈沖數，計算出滾筒轉速。轉速測量程序設計主要由中斷服務程序中實現。

（3）通信數據結構

單片機對傳感元件測量到的信號進行A/D轉換之后，首先必須進行按照上述的通信數據結構對采集的數據進行處理[4]，然后處理后的數據作為負載段，按IP Link122X 的基本幀結構進行打包，然后通過串行接口傳送IPLink122X，實現檢測數據的無線傳送。

制定通信數據結構的優勢在于，控制中心在收到無線傳感器網絡發送來的一組數據后，經過解析可以了解到傳感器節點的類型、工作狀態和測量的參數等。

3.3 微處理器與無線模塊的通信

設計選擇串行通信方式進行數據傳輸，采用單片機自身的TTL電平直接傳輸信息。當STC單片機開始發送數據時[5]，先送一個請求信號，IP Link122X 中的單片機收到請求信號后，回復一個信號，表示同意接受。當STC單片機接受到該應答信號后，開始發送數據，每發送一次便求校驗和。比如發送一個18字節的數據塊，數據緩沖區為buf，數據塊發送完畢后馬上發送校驗和。

IP Link122X 中的單片機接受數據并將其轉存到數據緩沖區buf，每接受一次便計算一次校驗和，當收齊一個數據塊后，再接受STC單片機發來的校驗和，并將它與自己求出的校驗和進行比較。若兩者相等，說明接受正確，若兩者不相等，說明數據傳輸發生錯誤，請求重新發送。

STC單片機接受到正確的回復后，結束發送，如果接受到重新發送的請求，則將數據再發一次。雙方有約定的波特率。

3.4 傳感器節點的應用層

本文的工作是設計帶式輸送機無線保護傳感器，因此主要對傳感器節點的應用層進行開發。傳感器節點通電工作以后，主要執行步驟如下：

首先進行硬件初始化（包括MCU的時鐘起振、各層的硬件支持的初始化、無線模塊的初始化等）；

其次尋找網絡并申請加入，在成功加入傳感器網絡之后，進行地址綁定，這樣可以讓傳感器節點的地址信息出現在協調器的綁定表中，實現傳感器節點與協調器的關聯；

最后進入事件輪詢循環，傳感器節點定時查詢有無事件發生。事件輪詢分硬件、網絡層、媒體接入層、應用層等，均要查詢各自的事件。

4、總結

本論文主要進行了基于ZigBee 技術的帶式輸送機無線保護傳感器的軟件開發，主要由數據采集模塊、STC12LE5410AD 和IP Link 無線通信模塊組成。在ZigBee 協議棧基礎上實現了鏈式的網絡組建。本章對傳感器節點軟件程序的體系結構、程序設計思想和具體實現方法作了深入探討和總結。不同的傳感器節點模塊的固件程序不一樣，但其體系結構卻是相同的。

[1]孫繼平.礦井安全監控系統.北京：煤炭工業出版社.2006：1-6

[2]陳維健，齊秀麗，肖林京等.徐州：中國礦業大學出版社.2007：45-46

[3]趙玉文，李云海.帶式輸送機的現狀與發展趨勢.煤礦機械.2004（4）

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

[5]李正軍.現場總線及其應用技術.北京：機械工業出版社，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。