基于ZigBee和以太網技術的巷道頂板離層數據在線監測系統設計

王立飛，王曉榮（南京工業大學自動化與電氣工程學院，南京210009）

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基于ZigBee和以太網技術的巷道頂板離層數據在線監測系統設計

王立飛，王曉榮*
（南京工業大學自動化與電氣工程學院，南京210009）

摘要：針對目前礦用頂板離層儀主要采用有線的傳輸方式，這種方式存在安裝不方便、成本高、靈活性和擴展性差的缺點。因此，筆者根據頂板離層的測量原理，結合巷道現場實際情況，在STM32處理器上將ZigBee與以太網結合，運用RT-thread操作系統，設計了一種采用ZigBee和以太網技術2層通訊的頂板離層數據在線監測系統。礦下實驗證明，該系統測量范圍在0~300 mm，測量精度達到2%，ZigBee部分數據傳輸穩定，實時上傳數據，方便了頂板離層檢測的自動化。

關鍵詞：頂板離層儀；ZigBee；以太網；在線監測

煤礦巷道頂板離層是指在巷道服務期內，頂板巖層中一點與其上方一定深度巖層中的某一基點之間的相對位移量。頂板離層的狀態，直接關系到巷道圍巖支護效果和煤礦生產安全［1］。近幾年，隨著煤炭監測技術的發展，出現了各種基于rs485總線、can總線、以太網等有線網絡的頂板離層檢測系統［2-3］，在一定程度上解決了傳統頂板離層儀人工抄數的局限性，但有線網絡存在安裝不方便、成本高、靈活性和擴展性差的缺點［4-5］。

ZigBee是一種高可靠的無線數據傳輸網絡，具有低功耗、低成本、延時短、網絡容量大、可靠、安全的優點［6］，通訊距離可達幾公里；以太網是當前應用最普遍的局域網技術，它很大程度上取代了其他局域網標準。因此，筆者將ZigBee技術和以太網技術結合，研究設計了一種采用ZigBee和以太網技術2層通訊的頂板離層數據在線監測系統，克服了傳統有線網絡頂板離層檢測系統安裝不方便、成本高、靈活性和擴展性差的缺點，方便了研究人員對數據進行處理和綜合分析［7］。

1　系統總體設計方案

目前，國內大多數的煤礦都鋪設了以太網。而基于煤礦巷道高度、寬度有限，長度較長的特點，單一的有線網絡具有一定的局限性。因此，設計的系統采用2層通訊，底層離層檢測儀與通訊分站之間采用ZigBee通訊方式；通訊分站與地面監控主機之間采用以太網通訊方式。地面監控主機可遠程對通訊分站和離層檢測儀進行參數設定，并對接收到的數據進行處理和分析。系統主要由底層離層檢測儀（路由ZigBee Router節點）、通訊分站（協調者ZigBee Coordinator節點）、光纖環網、監控主機軟件幾部分組成。系統架構如圖1所示。

底層離層檢測儀（路由ZigBee Router節點）負責采集、顯示頂板離層數據、現場報警，并與通訊分站（協調者ZigBee Coordinator節點）之間傳遞數據和命令。底層離層檢測儀框架設計如圖2所示。

圖1　系統架構

圖2　底層離層檢測儀框圖

通訊分站（協調者ZigBee Coordinator節點）作為整個網絡的協調器，負責組建網絡、分配地址、匯總查詢訊息、上傳數據和下傳命令。

通訊分站框架設計如圖3所示。

圖3　通訊分站框圖

針對煤礦的安全需求，本系統采用本安設計和隔爆設計的雙重安全防護措施，確保井下使用的安全性。

2　處理器

STM32F1系列芯片是常用的32 bit MCU，Cor?tex-M3內核，運算速度快，RAM和FLASH容量較大，價格便宜，很容易買到。

2.1STM32F103芯片

底層離層檢測儀（路由ZigBee Router節點）的核心控制器是STM32F103芯片，屬于中低端的32 bit ARM微控制器，由意法半導體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3，芯片集成了定時器、ADC、DMA、SPI、I2C、USB、CAN、UART、串行單線調試（SWD）和JTAG接口等多種功能。集成度高、可靠性強，減小了電路板尺寸，提高了系統的穩定性和抗干擾能力。

2.2STM32F107芯片

通訊分站（協調者ZigBee Coordinator節點）的核心控制器是STM32F107芯片，是意法半導體（ST）推出的一款性能較強的互連型STM32產品，此芯片集成了各種高性能工業標準接口，包含以太網10/ 100 MAC模塊。此芯片可以滿足工業、醫療、樓宇自動化、家庭音響和家電市場等多種產品需求。

3　ZigBee

3.1ZigBee硬件設計

ZigBee Router模塊采用增強型REX3SP模塊，外形小巧、靈敏度高、低功率，可靠通訊距離可達2 000 m（可視距離），該模塊符合IEEE802.15.4Zig?Bee協議棧［8］，支持自我修復、自我組織的網狀網絡，進而優化了網絡流量并降低了功耗。ROUTER節點能夠加入到一個已經存在的無線網絡中，加入到無線網絡中之后可以接受其他節點加入網絡，為網絡中其他節點中繼、轉發數據，從而實現無線網絡的擴展。ZigBee Router通訊模塊電路設計如圖4所示。

ZigBee Coordinator模塊采用增強型REX3SP模塊。COO節點是無線網絡的邏輯中心點，在無線網絡中充當網關的功能，能夠建立并管理一個新的無線網絡。COO節點建立一個無線網絡之后，就可以接收其他節點加入網絡的請求，從而使無線網絡擴展開。COO節點使用有線電源供電，不需要休眠，并且能夠管理休眠節點。ZigBee Coordinator模塊電路設計類似于ZigBee Router模塊。

圖4　ZigBee Router通訊模塊電路圖

3.2ZigBee軟件設計

3.2.1 ZigBee通訊數據幀格式

應用程序通過串口（UART）訪問REX3SP模塊，為了保證通信的正確率，采用表1的幀格式。數據幀由幀頭（Header），幀長（Length），有效數據（Payload），校驗和（Check），幀尾（Footer）五個部分組成。其中，Header取值為0x2A，Footer取值為0x23；Length取值為Payload的長度（不包括Header，Footer，Check 和Length本身），Check取值為Payload相加值的最低字節。

表1　ZigBee通訊幀格式

上傳的有效數據包（Payload）格式如表2所示。

表2　上傳有效數據（Payload）包格式　單位：byte

下傳的有效數據包格式（Payload）如表3所示。

表3　下傳有效數據（Payload）包格式　單位：byte

3.2.2 ZigBee通訊協議改進

基于ZigBee技術的頂板離層儀早已有人研究，但基本都是僅僅在實驗室，真正在煤礦上得以應用的非常少。其主要原因是因為礦下情況復雜，無線通訊的穩定性難以保證。為保證ZigBee數據傳輸不丟失，程序采用輪詢的方式，未上傳的數據暫時保存在緩沖區中，待下次輪詢時一并上傳。

4　以太網

4.1以太網硬件設計

STM32F107芯片自帶了10/100以太網接口，以太網PHY控制器選用美國國家半導體公司DP83848單路物理層器件［9］，具有低功耗性能。DP83848模塊電路設計如圖5所示。

4.2以太網軟件設計

Tcp/Ip協議棧采用的是lwip1.4.1協議棧，程序主要包括網卡的初始化和協議棧的監測。RTThread具有豐富的組件包括Lwip，省去了移植網絡協議棧的過程。

lwip只要使能rtconfig.h中宏代碼，然后修改基地址和中斷函數就可以了，lwip相關宏定義如圖6所示。lwip通訊測試如圖7所示。

圖5　DP83848模塊電路圖

圖6　lwip相關宏定義

圖7　Lwip通訊測試

5　RT-Thread操作系統下軟件設計

系統采用RT-Thread操作系統進行系統的軟件構架。RT-thread操作系統是一種小型、實時、可剪裁的嵌入式操作系統。它包含實時嵌入式系統相關的各個組件：實時操作系統內核，TCP/IP協議棧、文件系統、libc接口、圖形界面等。采用C語言編寫代碼，代碼格式規范，結合了VxWorks和ucos兩個操作系統的優點，綜合性能優于ucos，是Cortex M3、CortexM4內核的最理想的嵌入式操作系統，源代碼完全公開，免費商業使用。

5.1底層離層檢測儀軟件設計

底層離層檢測儀將任務分成5個線程：Zig?Bee通訊線程、A/D采樣線程、數碼管顯示線程、按鍵線程、工廠設置線程。線程優先級如圖8所示，從左到右遞減，任務間同步及通訊采用RTThread操作系統中的關閉中斷、信號量、事件和郵箱來實現。

圖8　ZigBee Router節點線程優先級圖

5.2通訊分站軟件設計

通訊分站將任務分成4個線程：ZigBee通訊線程、以太網線程、液晶顯示線程、按鍵線程。線程優先級如圖9所示，從左到右遞減，任務間同步及通訊采用RT-Thread操作系統中的關閉中斷、信號量、事件和郵箱來實現，以太網協議棧采用瑞典計算機科學院（SICS）的Adam Dunkels開發的一個小型開源的TCP/IP協議棧lwip。

圖9　ZigBee Coordinator節點線程優先級圖

6　實驗結果

6.1ZigBee通信可靠性實驗

針對設計的頂板離層儀進行ZigBee通信可靠性分析實驗。實驗對象采用圖1的系統架構，1臺通訊分站下接32臺底層離層檢測儀，頂板離層儀每3秒產生一幀數。礦下實驗證明，ZigBee采用輪詢的通訊機制保證了數據傳輸不丟失。實驗數據見表4和表5。

表4　不加中繼時ZigBee通信可靠性實驗結果

表5　加中繼時ZigBee通信可靠性實驗結果

6.2傳感器精度實驗

進行測量實驗時，通過拉動機械裝置帶動電位器轉動，離層儀顯示位移與物體實際位移偏差小于2%。實驗數據見表6。

表6　位移測量結果

7　結束語

本系統結合了現如今煤礦巷道的實際情況，將

ZigBee技術和以太網技術結合，從低功耗和數據傳輸穩定性方面設計了軟硬件，具有低功耗、使用壽命長、安裝容易、安裝成本低、數據傳輸可靠、可在監測機上遠程操作等優點，方便了研究人員對數據進行處理和綜合分析。

參考文獻：

［1］張立海.大斷面厚頂煤巷道頂板離層預警閾值分析［J］.煤炭安全，2014，45（8）：217-220.

［2］李學哲，黃成玉.基于工業以太網的頂板離層檢測傳感器設計［J］.工礦自動化，2012（11）：73-76.

［3］劉衛東，張薇，孟曉靜.基于物聯網的煤礦檢測監控系統研究［J］.電子器件，2015，38（6）：718-724

［4］周李兵，孫駿馳.煤礦巷道頂板離層監測系統設計［J］.工礦自動化，2012（4）：94-97.

［5］樊健，何小剛.基于ZigBee技術的頂板離層儀網絡研究［J］.煤炭工程，2014（6）：144-149.

［6］陸星家，陳志榮.能耗約束的無線傳感器網絡的目標覆蓋和路由分配研究［J］.傳感技術學報，2015，28（6）：900-906.

［7］齊立磊，王超.基于ZigBee的礦井無線傳感器網絡監測系統的設計［J］.煤礦機械，2013，34（9）：252-254.

［8］IEEE Std 802.15.4-2003 IEEE Standard for Information Technolo?gy-Part 15.4 Wireless Medium Access Control（MAC）and Physi?cal Layer（PHY）Specifications for Low- Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）.

［9］王健，馬小軍，王偉，等.基于Ethernet Ring的井下礦山智能傳輸接口研究［J］.礦業研究與開發，2013，，33（5）：90-94.

王立飛（1990-），男，江蘇南京人，在讀碩士研究生，就讀于南京工業大學自動化院，研究方向為檢測技術與自動化裝置，249254132@qq.com；

王曉榮（1972-），男，漢族，江蘇阜寧人，副教授，碩士生導師，主要研究方向是分析儀器設計、嵌入式系統設計、機電系統綜合控制，9525819@qq.com。

Serial Expansion Based on XR16L788 and Its Application

WANG Shuping1，2，YANG Wei1，2*，HOU Shuang1，2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

Abstract：Described in detail based on the high performance eight channel UART controller chip XR16L788 the serial expansion communication method，and complete its on S3C2410 driver and its application in a has the func?tion orientation of new remote terminal，to solve the problem of shortage of the device interface and the remote termi?nal can on the one hand，using GPS，electronic compass，laser range finders provide information to achieve the tar?get passive location，on the other hand the wireless module to transmit control command receiving feedback informa?tion. Practical application shows that，the method to design reliable，in order to meet the requirements of the original at the same time，we have reserved the interface to facilitate the expansion of other functions.

Key words：XR16L788；extended UART；S3C2410；remote terminal；passive positioning

doi：EEACC：7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.043

收稿日期：2015-04-03修改日期：2015-08-19

中圖分類號：TN923

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0205-06