選煤廠點檢系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

王振堯,朱中波 (中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院,江蘇徐州221 008)

劉衛(wèi)東 中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院,江蘇徐州221008 兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦,山東兗州272102

選煤廠的條件惡劣,聲音嘈雜,各個傳送皮帶電機分布復雜。如果采用人為定期檢測的方法來獲得電機的振動信號,得到的數(shù)據(jù)沒有實時性,而且工作難度非常大。若通過采用無線傳感器網(wǎng)絡,把振動傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送到以太網(wǎng)接入點,再將數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換成符合以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包格式上傳到有線控制網(wǎng)絡,供上位機作相應的處理,這便形成了一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)[1]。煤礦產(chǎn)業(yè)在進行數(shù)據(jù)共享以及數(shù)據(jù)傳輸時采用工業(yè)以太網(wǎng),而無線傳感器網(wǎng)絡的信息采集以及收發(fā)數(shù)據(jù)是基于無線短程網(wǎng)的主流協(xié)議IEEE802.15.4來進行的[2]。在選煤廠的建筑中,無線傳感器的節(jié)點多,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量(振動數(shù)據(jù))很大,再加上多點傳輸?shù)挠绊?必然會使無線接入點的工作量很大,如何最大限度的提高無線接入點的性能,能最大化的反應整個選煤廠的客觀環(huán)境成為關(guān)鍵問題。為此,筆者對選煤廠點檢系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行設(shè)計。

1 網(wǎng)絡拓撲設(shè)計

在選煤廠的無線傳感器網(wǎng)絡中,節(jié)點部署在被感知的電機外殼上,上述節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡,以協(xié)作的方式采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的電機振動信號,實現(xiàn)對電機振動情況實時的采集、處理和分析。無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點、Sink節(jié)點、交換機、地面環(huán)網(wǎng)、調(diào)度指揮中心和用戶界面 (見圖1),其中各個車間的傳感器節(jié)點采用星形的無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),振動傳感器采用 ADXL202進行振動信號的采集,無線收發(fā)模塊采用CC1100進行數(shù)據(jù)收發(fā),通過51單片機把采集的信號數(shù)據(jù)提供給收發(fā)模塊,然后通過多跳的方式把數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點把數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點,完成無線采集的部分。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器,通常連接2個或多個相互獨立的網(wǎng)絡。考慮到節(jié)點的通信能力有限 (數(shù)據(jù)速率僅為250kbps),為了減少網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換自身的工作量,該網(wǎng)關(guān)選擇了一款集成Ethernet接口的ARM芯片來完成硬件系統(tǒng)的搭建[3]。

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,其由內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC的ARM7處理器 W90N745CDG、射頻收發(fā)模塊CC1101、以太網(wǎng)收發(fā)芯片 (PHY)RTL8201、大容量DataFlash存儲卡片S29AL016D70TF102等模塊組成。

W90N745CDG作為硬件系統(tǒng)的主控芯片,片內(nèi)集成Flash、USB、CAN、以太網(wǎng)MAC等接口的高性能ARM7 SOC[4]。

收發(fā)芯片CC1100是一款低成本單片UHF收發(fā)器,功耗低,體積小,使用簡單,操作靈活。CC1100最高工作速率達500kbps,支持2-FSK,GFSK和MSK調(diào)制方式[5-6]。CC1100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 CC1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)PHY層芯片采用的是RT L8201BL。RT L8201BL是一個單端口的物理層收發(fā)器,可實現(xiàn)10/100M以太網(wǎng)物理層的全部功能。

S29AL016D70TF102是一款16Mb、只支持3.0V的閃存,包含2097152bytes或者1048576words。

在TCP/IP協(xié)議中,以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸使用硬件地址 (MAC)來進行識別,其中ARP(地址解析協(xié)議)完成IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址之間的轉(zhuǎn)換,因而為了保證網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)中的通信,首先要實現(xiàn)ARP協(xié)議的功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作原理如圖4所示。以太網(wǎng)向無線節(jié)點信息轉(zhuǎn)換方式過程如下:①信息輸入端從網(wǎng)絡接口接收一個正常發(fā)往接入點的IP數(shù)據(jù)包,簡單判斷后向上發(fā)給對應的 UDP或TCP處理函數(shù)進行相應處理,然后向上發(fā)給網(wǎng)關(guān)應用程序處理。②網(wǎng)關(guān)應用程序經(jīng)過簡單分析后,確定要轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器網(wǎng)絡中的哪個節(jié)點,通過ARP解析出該節(jié)點的MAC地址,再將相應數(shù)據(jù)包成功交至該節(jié)點。③節(jié)點向Ethernet端轉(zhuǎn)換。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換工作原理圖

2.2 軟件設(shè)計

Linux操作系統(tǒng)應用于多種硬件平臺,具有良好的移植性、高可靠性、完備的文件系統(tǒng)以及豐富的API等特點,為嵌入式網(wǎng)關(guān)提供強大的軟件支持[7]。因此,選擇Linux作為嵌入式網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)。

選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)采用CC1101收發(fā)模塊來做Sink節(jié)點,接受各個路由節(jié)點傳送來的振動信號數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)采用ARM單片機進行協(xié)議轉(zhuǎn)換,將感應器、檢測器、計算機等工業(yè)設(shè)備的RS-232串口信號與以太網(wǎng)絡信號相互轉(zhuǎn)換。Sink節(jié)點與網(wǎng)關(guān)組成了一個接入點,接入點的輸入端是無限的收發(fā)模塊,輸出端是一個以太網(wǎng)RJ-45接口。這便是一個串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)口的協(xié)議轉(zhuǎn)換工具,該設(shè)備可以直接通過以太網(wǎng)接口與計算機直接相連,或者通過交換機連接到地面環(huán)網(wǎng)再與計算機通信。網(wǎng)關(guān)節(jié)點主程序流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點主程序流程圖

3 測試結(jié)果分析

使用Matlab產(chǎn)生一段音樂再外接硬件喇叭,把振動傳感器附著在喇叭上,然后對通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行分析。由于振動傳感器采集到的是振動信號分解到X軸和Y軸的數(shù)據(jù),所以求X軸和Y軸的數(shù)據(jù)平方根就可以還原原始振動的信號。上位機軟件接收到的信息界面如圖6所示。圖6顯示了接收一個節(jié)點的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)中包含振動的X軸與Y軸數(shù)據(jù)。取X軸與Y軸數(shù)據(jù)的平方根,這個平方根就是振動的幅值。把這個幅值在 Matlab中仿真就可以得到傳感器采集到的音樂的時域波形和頻域波形 (見圖7)。從圖7(b)可以看出,音樂信號的主頻率出現(xiàn)在500～700Hz之間,這說明網(wǎng)關(guān)采集到的振動信號是正確的。

圖6 信息接收界面

圖7 振動信號的Matlab仿真

4 結(jié) 語

對選煤廠點檢系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行設(shè)計,該網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以同時接收4個路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù),這為選煤廠的節(jié)點放置提供了比較充分的空間。測試結(jié)果表明,該網(wǎng)關(guān)具有效率高、響應實時、可靠性高、功耗低和抗干擾能力強等特點,且在 “無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦選煤廠中的應用”項目中得以使用,因而該設(shè)計具有可行性。

[1]孫利民,李建中.無線傳感器網(wǎng)絡 [M].北京:清華大學出版社,2005.

[2]王文君,胡國珍.工業(yè)以太網(wǎng)及其無線接入技術(shù)的研究[J].工業(yè)控制計算,2008,21(1):23-24.

[3]崔光照,陳富強.基于ARM9的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計 [J].計算機技術(shù)與應用,2008(11):115-118.

[4]牛永超,馬孝義.基于CC1100的溫室溫濕度檢測系統(tǒng) [J].農(nóng)機化研究,2009(8):91-92.

[5]鄧專,陳維,王春麟.射頻收發(fā)芯片CC1100及其應用 [J].機械工程與自動化,2007,145(6):168-168.

[6]吳常明,蘇小龍.基于A RM9嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計 [J].大眾科技,2010(7):13-14.