基于ZigBee和STM32的礦用頂板離層監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 磊，程永強(qiáng)

(太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

受“實(shí)踐從屬于理論”這種傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，致使現(xiàn)在某些高校在人才培養(yǎng)方案上仍不同程度地存在著“理論厚實(shí)，實(shí)踐薄弱”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象滯后于時(shí)代發(fā)展和社會(huì)需求。在全面提高大學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)、綜合素質(zhì)等方面，實(shí)踐教學(xué)有著極其重要且不可替代的作用[1]。

煤礦生產(chǎn)活動(dòng)大都是在地下進(jìn)行，環(huán)境惡劣、條件艱苦，在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中隨時(shí)會(huì)有漏水、瓦斯爆炸、頂板冒落等災(zāi)害的發(fā)生。鑒于煤礦生產(chǎn)的這些特點(diǎn)，很難在教學(xué)中直觀展示其過(guò)程。因此，對(duì)于煤礦專(zhuān)業(yè)教學(xué)來(lái)說(shuō)，通過(guò)一些礦用設(shè)備進(jìn)行模擬真實(shí)教學(xué)顯得非常有必要[2]。

依托煤炭企業(yè)與高校合作的平臺(tái)，本文構(gòu)建了一種基于ZigBee技術(shù)[3]和嵌入式的用于教學(xué)實(shí)踐的礦用頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一方面可以通過(guò)實(shí)踐提高學(xué)生的動(dòng)手創(chuàng)作能力，另一方面讓煤礦專(zhuān)業(yè)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬裝置對(duì)煤礦生產(chǎn)有一個(gè)直觀、初步的了解。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)分站。如圖1所示，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在巷道頂板上，安裝間隔根據(jù)實(shí)際情況在20～50 m之間，每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)既可以監(jiān)測(cè)本安裝點(diǎn)的離層位移數(shù)據(jù)，又可以作為“路由”節(jié)點(diǎn)傳輸相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)接力傳遞的方式把數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)分站，分站把所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)屏幕實(shí)時(shí)顯示及本地存儲(chǔ)，并能通過(guò)以太網(wǎng)上傳給井上PC端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。分站可以不依賴PC端，單獨(dú)作為井下終端對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)刂返姆峙洹r(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)上傳間隔設(shè)置等命令控制，還可以在分站上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按時(shí)間查詢、節(jié)點(diǎn)查詢和U盤(pán)拷貝。該系統(tǒng)給巷道支護(hù)[4-5]監(jiān)控工作帶來(lái)更為便捷的手段和工具。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的防爆殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀如圖2和圖3所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括電器倉(cāng)和機(jī)械倉(cāng)，并通過(guò)隔板隔離。電器倉(cāng)由電池倉(cāng)、電路板倉(cāng)和傳感器組成，機(jī)械倉(cāng)由測(cè)繩和尼龍棒組成。尼龍棒固定在位移傳感器的轉(zhuǎn)軸上，位移傳感器主體位于電器倉(cāng)內(nèi)，轉(zhuǎn)軸通過(guò)隔板進(jìn)入機(jī)械倉(cāng)。這種倉(cāng)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)把電池和電路板與外界環(huán)境進(jìn)行了保護(hù)隔離，使得電路板不受粉塵、水汽等外界的干擾，增加了工作的可靠性和穩(wěn)定性。殼體部分主要為離層儀提供物理支撐和防爆隔離。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)防爆殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)防爆殼體外觀圖

電路板主控芯片采用TI的CC2530射頻芯片。天線采用PCB天線的方式，減小了空間。為了保障信號(hào)能在井下順利傳輸，CC2530射頻芯片前端增加了功率放大芯片CC2591，可以使最大發(fā)射功率增加到20 dBm。而且多種發(fā)射功率可調(diào)，增加了設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電路板的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照GB3836.4和GB3836.2，電路符合本安要求[6]，外殼也符合隔爆要求[7]。

圖4 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

電源部分采用3.5 V本安電池供電，與穩(wěn)壓芯片相連接，從根本上保證了電氣特性的本安。除了電源芯片外，輸入端還增加了限流電阻和整流二極管，當(dāng)電源芯片出現(xiàn)問(wèn)題或某個(gè)整流二極管損壞時(shí)，電路仍然可以正常工作，不會(huì)因?yàn)殡妷旱牟徽６鵁龤?。電路之間的爬電距離、電容電感的選擇都符合本安要求[6]。

1.2 監(jiān)測(cè)分站硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)分站由無(wú)線接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。分站電池采用3.2 V、5 Ah磷酸鐵鋰電池，電源芯片采用tps63001,它具有1.8～5.5 V的寬電壓范圍，轉(zhuǎn)化率高達(dá)96%，輸出電流1.2 A,符合分站的供電要求。無(wú)線接收模塊采用CC2530射頻芯片[8]和CC2591功放芯片[9]；數(shù)據(jù)處理模塊主控芯片采用STM32F103[10]，該芯片廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和智能家居等嵌入式控制終端，采用ARM CortexM3內(nèi)核、數(shù)據(jù)總線寬度為32位，最大時(shí)鐘頻率為72 MHz，具有512 KB字節(jié)的ROM和64 KB的SRAM，工作電壓2～3.6 V，具有很高的性價(jià)比。STM32F103集成了硬件SPI,觸摸芯片、外部Flash、USB和以太網(wǎng)等功能芯片都可以通過(guò)SPI的方式進(jìn)行控制，具有操作簡(jiǎn)單、軟件開(kāi)發(fā)難度低等優(yōu)點(diǎn)。分站支持127 mm(5英寸)、分辨率為800像素×480像素的TFT液晶顯示屏，具有友好的人機(jī)交互界面。分站硬件框圖如圖5所示，USB模塊芯片與MCU之間的SPI電路連接如圖6所示，其他功能模塊芯片與MCU的電路連接與之相似，不再單獨(dú)列出。

圖5 分站平臺(tái)硬件框圖

圖6 CH376S與MCU的SPI連接

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 分站軟件初始化

STM32芯片采用Keil4開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用ST官方提供的固件函數(shù)庫(kù)，移植了UCOS[11]系統(tǒng)和UCGUI[12]，添加相應(yīng)的模塊庫(kù)文件，完成建立相應(yīng)的工程后，進(jìn)行單片機(jī)的初始化配置。首先調(diào)用CPU_IntDis()函數(shù)關(guān)中斷，確保系統(tǒng)初始化不被外界中斷干擾；然后調(diào)用OSInit()函數(shù)，建立空閑任務(wù)及統(tǒng)計(jì)任務(wù)，初始化μC/OS II變量及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中包括信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等的初始化。調(diào)用BSP_Init()初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、NVIC中斷、SPI、FSMC_LCD、GPIO等，建立任務(wù)，OSStart()啟動(dòng)內(nèi)核。

2.2 任務(wù)的建立

分站上一共建立了4個(gè)任務(wù)，根據(jù)每個(gè)任務(wù)的特性分配了不同的優(yōu)先級(jí)。屏幕刷新任務(wù)屬于值守型任務(wù)，需要周期性地獲取外部信息，刷新屏幕顯示，被操作系統(tǒng)重復(fù)調(diào)用，有一定的實(shí)時(shí)性，可以設(shè)置較低的優(yōu)先級(jí)。以太網(wǎng)任務(wù)、時(shí)間更新任務(wù)屬于觸發(fā)型任務(wù)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，應(yīng)設(shè)置較高的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，用戶界面任務(wù)優(yōu)先級(jí)則最低。在啟動(dòng)μC/OS內(nèi)核之前，建立主任務(wù)，使用OSTaskCreate函數(shù)。在主任務(wù)中建立用戶任務(wù)。每一個(gè)任務(wù)都是一個(gè) 循環(huán)結(jié)構(gòu)。示例代碼如下：

void Task (void *Id)

{

//定義要用到的參數(shù) 及相關(guān)硬件的初始化

while (1)

{ //處理任務(wù)的具體執(zhí)行語(yǔ)句

OSTimeDly () ;//掛起自身的函數(shù)

}

}

界面任務(wù)和觸摸任務(wù)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能，點(diǎn)擊相關(guān)的按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的功能控制。

2.3 SPI通信

CC2530、觸摸芯片XPT2046、外部Flash芯片M25P64、以太網(wǎng)芯片ENC28J60與STM32的通信都是通過(guò)硬件SPI的方式，STM32作為主設(shè)備。STM32的SPI1屬于高速設(shè)備，隸屬于APB2總線，最大時(shí)鐘頻率為72 MHz；而SPI2屬于低速設(shè)備，隸屬于APB1總線，最高時(shí)鐘頻率為36 MHz。使用時(shí)要根據(jù)從設(shè)備的時(shí)鐘頻率選擇合適的SPI分頻系數(shù)。

2.4 系統(tǒng)通信協(xié)議描述

所有離層儀節(jié)點(diǎn)的初始地址都是0，在使用之前要給離層儀分配地址。假設(shè)系統(tǒng)中有64個(gè)離層儀節(jié)點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)選按鈕找到地址設(shè)定按鈕，輸入64，點(diǎn)擊確定，分站上接收模塊地址被設(shè)定為65，給其中一個(gè)離層儀節(jié)點(diǎn)A上電，A節(jié)點(diǎn)地址被設(shè)定為64，同時(shí)該地址被保存到Flash中，A節(jié)點(diǎn)進(jìn)入地址分配狀態(tài)，等待下一個(gè)節(jié)點(diǎn)B上電；當(dāng)B節(jié)點(diǎn)上電后，A節(jié)點(diǎn)把本機(jī)地址減一發(fā)送給B，B接收到地址后給A反饋應(yīng)答信號(hào)，完成一次節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間地址的自動(dòng)分配。為了減少功耗，可暫時(shí)給A節(jié)點(diǎn)斷電。依次給離層儀上電，直至最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)地址被賦值為1，再次上電，離層儀節(jié)點(diǎn)從內(nèi)部Flash讀取地址。由于節(jié)點(diǎn)對(duì)地址要求比較嚴(yán)格，同一時(shí)刻必須保證只有一個(gè)還沒(méi)有被設(shè)定地址的離層儀節(jié)點(diǎn)處于上電狀態(tài)。其他命令的使用與地址設(shè)定命令相似，不再贅述。

節(jié)點(diǎn)每隔半小時(shí)由自身定時(shí)器喚醒一次，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)，無(wú)線發(fā)送接收不能工作，只能通過(guò)定時(shí)器喚醒。為了消除各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間誤差的累計(jì)，每次在分站接收到所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，分站會(huì)給節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步信號(hào)，接收到時(shí)鐘同步信號(hào)以后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的喚醒等待時(shí)間為2 min，實(shí)驗(yàn)證明在系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)為100時(shí)，首節(jié)點(diǎn)和末尾節(jié)點(diǎn)收到命令的時(shí)間差不會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)間的通信造成影響。為了降低功耗，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量合理設(shè)置喚醒c的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

分站無(wú)線模塊在接收到數(shù)據(jù)以后，向STM32申請(qǐng)數(shù)據(jù)接收中斷，然后在STM32的時(shí)鐘控制下與ZigBee進(jìn)行SPI通信。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行屏幕顯示、存儲(chǔ)、上傳等處理，完成一次數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：分站可以通過(guò)以太網(wǎng)與井上PC機(jī)通信，也可以作為一個(gè)脫離PC的嵌入式終端實(shí)現(xiàn)井上和井下的雙重監(jiān)測(cè)管理。分站軟件流程圖如圖8所示。

3 傳感器精度分析

傳感器采用Mexico BOURNS3590s-2-103L 多圈(10圈)電位器，最大標(biāo)定阻值為10 Ω±5%，阻值調(diào)節(jié)方式為旋轉(zhuǎn)式，阻值變化方式為直線式。轉(zhuǎn)軸直徑為6.35 mm,直線量程為200 mm。數(shù)據(jù)采集電路采用CC2530內(nèi)部12位AD，參考電壓為3 V，通過(guò)REF3030穩(wěn)壓芯片與AD相連。表1 為傳感器精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。由表1可得出結(jié)論：最大線性誤差為-0.44%。電壓-位移函數(shù)為s=(u-b)/k，其中，s表示位移，u表示電壓；最壞情況下，b=0,k=1。由表1數(shù)據(jù)可得：當(dāng)實(shí)際位移120 mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)顯示位移為119.1 mm。誤差在1 mm以內(nèi)，可以通過(guò)Matla程序擬合得b=-10，k=15，進(jìn)一步提高了精度，更好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

表1 傳感器線性精度測(cè)量數(shù)據(jù)

圖8 監(jiān)測(cè)分站軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從煤礦生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合了煤礦專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)，應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，能夠很好地激發(fā)學(xué)生對(duì)于本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融匯了電子、機(jī)械等交叉學(xué)科知識(shí)，可以提高學(xué)生的編程能力、培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生理論知識(shí)水平與操作實(shí)踐技能得到同步提高；另一方面，可以在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)其他礦用教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

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[9] Texas Instruments.CC2591 2.4GHz RF Front End[EB/OL].[2013-01-05].http://www.ti.com.cn/product/cn/cc2591.

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