帶式輸送機溫度無線實時監測系統的研究與設計

肖雅靜 孟國營 楊 睿

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083）

帶式輸送機溫度無線實時監測系統的研究與設計

肖雅靜 孟國營 楊 睿

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083）

針對采用手持設備到現場對帶式輸送機溫度進行檢測存在的問題，設計了一套帶式輸送機溫度無線實時監測系統，介紹了系統組成和工作原理，詳細闡述了系統的主要硬件和溫度采集模塊軟件設計。通過在煤礦現場的實驗表明，該系統能夠實現帶式輸送機溫度的無線實時監測，同時還能夠對帶式輸送機的故障起到預警作用。

帶式輸送機 溫度監測 無線監測 實時監測

帶式輸送機在煤礦生產運輸中起著重要作用，其能否持續無故障地運行直接影響到煤礦企業的生產效率及經濟效益。在帶式輸送機設備監控體系中，溫度監測目前還不夠成熟和完善，大多數溫度監測仍存在采用有線采集定式，不能隨意布點和調整監控部位的缺點，一旦因監控不到位則可能發生事故導致巨大損失。另外，如果整個設備大量發熱點溫度不能實時監測，造成了突發事件無法控制。為了解決此問題，需要對發熱部分的溫度監測進行集中管理，因此研發了帶式輸送機溫度無線實時監測系統。

1　系統組成和工作原理

帶式輸送機溫度無線實時監測系統由溫度采集模塊、分站和主站組成，系統組成框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，溫度采集模塊將溫度信號通過無線傳輸電路傳輸至分站，分站對采集來的數據進行存儲和顯示，并將數據傳輸給主站，分站與主站通信采用CAN總線通信方式；分站只支持被動查詢方式，主站根據需要查詢分站的具體工況；主站的功能主要是完成信號存儲、溫度顯示以及溫度異常檢測，并可通過CDMA發射裝置向相關負責人手機發送具體報警信息，避免由于設備故障造成巨大的經濟損失。

圖1　系統組成框圖

2　系統主要硬件

2.1溫度傳感器

溫度采集模塊采用超輕鋰電池供電模式，因此該模塊具有體積小和重量輕的特點。溫度采集模塊通過無線傳輸技術與分站之間進行數據交換，不需要布線，貼在測溫點就可以進行溫度的采集，可以方便地應用于各種旋轉運動和直線運動的設備上。考慮到防水性、功耗以及數字程度等因素，溫度采集傳感器選用18B20型溫度傳感器。該傳感器具有數字輸出采集到的溫度和采用先進的單總線進行數據通信等特點，預置產品序列號于ROM中，方便多點測溫應用。無線溫度傳感器主要技術指標如下:量程為-55℃～+125℃；測量誤差為±0.5℃；檢測周期為60～80 s；發射頻率為300～400 MHz；通訊距離為30～300 m；等待狀態功耗為2.5μA，工作狀態功耗為11 m A；連續工作時間為不小于3 a。

2.2溫度采集模塊中央處理單元

中央處理單元采用STC11F01單片機，該處理器采用高速增強型8051內核，具有10倍于8051的速度，能夠適應系統大數據量的測量速度要求。同時該芯片具有寬電壓設計，在3.6～2.4 V都能正常工作，適應性強，能夠增加系統的穩定性。此外，該處理器選用低功耗設計，外部中斷可以隨時喚醒掉電模式下的芯片，這樣就能大大延長溫度采集模塊電池的壽命，不用頻繁更換電池，減少維修和管理方面的問題。

2.3無線傳輸模塊

無線傳輸模塊的選型尤為重要，如果需要專門申請頻點，那么勢必增加產品的設計成本，因此選用nRF401芯片作為無線傳輸芯片。nRF401是北歐一家集成電路公司研發的無線收發芯片，工作頻段為433 MHz，不需要專門申請頻點，這就為產品的工業化使用提供了大大的便利。該芯片采用FSK調制解調技術，發射功率可以調整，收發速率可以達到20 K。此外，此芯片采用差分天線形式作為接口設計，因此在系統設計中可以選用成本相對低的PCB天線，可以大大降低產品成本。nRF401芯片和中央處理單元一樣采用寬電壓設計，工作電壓范圍2.7～5 V，可以工作在待機模式，更具節能效果，還能夠延長電池的使用壽命。該芯片主要由發射電路、接收電路、串行接口和低功率控制邏輯電路等組成。nRF401芯片主要具有節能、可靠和易用的特點:

（1）工作時功率比較小，發射功率小于10 m W。

（2）不需要申請專門頻點，一般情況下載頻頻率為433 MHz，如果有特殊要求也可提供868/915 MHz的載頻。

（3）基于FSK的調制方式和采用高效前向糾錯信道的編碼技術進行編碼，使得數據傳輸中的抗干擾能力得到大幅提高，具有低誤碼率以及高抗干擾能力。

（4）數據傳輸格式開放且透明，可以適應任何用戶協議。

（5）具有智能數據控制功能，用戶不需要編寫額外的程序，只要從發送/接收接口完成數據收發即可，轉換等功能由芯片自動完成。

（6）芯片能夠工作在待機模式。

3　溫度采集模塊軟件設計

溫度傳感器同中央處理單元之間通過I2C總線進行數據通信，在讀取溫度傳感器的溫度時，中央處理器先后發出8位寄存器指和已經預先設置好的傳感器地址，然后將讀/寫管腳設為高電平，讀取所需寄存器的值；中央處理器與傳感器進行2次數據通信以先后讀出高8位和低8位的數據；中央處理器讀取完傳感器的數據后，對數據進行處理并通過無線方式傳輸給分站；中央處理器接收完數據之后向傳感器發送一個單步指令，使傳感器進行下一次溫度的測量之后進入等待模式；中央處理器發出單步指令后進入低功耗模式，與此同時系統時鐘繼續工作，產生喚醒CPU的定時中斷。定時的長短可以通過編程進行調節，對于變化較快的信號定時時間要盡可能短。由于本系統測量的是連續變化的溫度信號，為了節省資源，定時周期沒有必要設定的太長。定時器中斷子程序流程圖如圖2所示。

圖2　定時器中斷子程序流程圖

4　主站與分站通訊格式

主站與分站通訊為主動方式，即分站不會主動向主站傳送數據，必須由主站向分站發出讀寫指令，分站才會有相應的響應。選用的總線驅動電路決定了CAN總線所掛接的節點數，目前掛接的節點數最多可以達到110個。根據現場實際需要，本監測系統的主站下掛幾十個分站，理論上不存在任何問題。在通訊過程中將主站和分站波特率都設置為9600 bps。主站平臺發送數據格式為通訊協議: AAL，地址:0-X；分站返回數據格式為通訊協議:55L，地址:01，數據幀:n*8位數據。

主站根據需要查詢分站的具體數據，分站只支持被動查詢方式。正常工作狀態時，所有的分站都處于接受狀態。當主站需要查詢分站的數據時，首先發送被查詢分站的地址。所有分站都同時接收主站發來的地址，并判斷此地址是否與本機地址相同，如果不同則放棄本次與主站之間的通訊，如果相同則完成與主站的握手信號對接，并繼續接收主站的查詢命令，返回主站所查詢參數的實際值。

5　結語

本文設計的帶式輸送機溫度無線實時監測系統采用無線技術對設備溫度進行采集，本系統具有很高的組網靈活性、無線傳輸的先進性以及數據采集的準確性等顯著優點，具有很高的實用價值。通過在煤礦現場的實驗表明，本系統能很好地適應工業現場帶式輸送機溫度監測的要求，大大減少了人工監測的工作量，實現其溫度的無線實時監測，同時對帶式輸送機故障起到預警作用。

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［9］ 李衛龍，金林，汪青.帶式輸送機紅外溫度保護系統［J］.煤礦機械2010（8）

（責任編輯 路 強）

Research and design on wireless and real-time temperature monitoring system of belt conveyor

Xiao Yajing，Meng Guoying，Yang Rui
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the existing problems of field measuring the temperature of belt conveyor with handheld device，a set of wireless and real-time temperature monitoring system of belt conveyor was designed.The system composition and operating principle were introduced，and the main hardware and the software design of temperature data gathering module were elaborated. The mining field experiment showed that the system could achieve wireless and real-time monitoring the temperature of belt conveyor，and it also could play a role of early warning on malfunction of belt conveyor.

belt conveyor，temperature monitoring，wireless monitoring，real-time monitoring

TD528.1

A

肖雅靜（1983-），女，河北唐山人，中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院在讀博士生，主要從事機械電子工程方面的研究。