基于無線通信的礦井排水系統節點的設計

曲阜師范大學 高 原山東省昌邑市環境保護局 陳雅妮

基于無線通信的礦井排水系統節點的設計

曲阜師范大學 高 原
山東省昌邑市環境保護局 陳雅妮

離心泵是礦井排水系統的核心部分,排水控制系統中控制器、管道液位傳感器、球閥、水位傳感器、流量傳感器等組成部件對離心泵的狀態進行監測與控制。由于組成排水系統的各傳感器與控制器大部分在泵房中工作,利用無線通信技術來進行數據傳輸可以實現較高實用價值。本文介紹了排水控制系統中節點的設計方案,并加入到管道液位傳感器中,使該傳感器具備了靈活、通信簡便、方便維護的特點。

無線數據傳輸;ADF7020;數據采集

0 引言

由于有線網絡在井下存在各種不足,使得把無線通信網絡引入到泵房排水控制系統具有一定的實用價值和現實意義。由此本文提出一種基于無線通信技術的傳感器節點的設計。

1 系統工作原理

如圖1所示,礦井排水系統由工控機、通信分站和各傳感器及執行器等節點等組成。工控機通過RS485總線與通信分站通信并對各個傳感器與執行機構進行數據采集與控制,并實時顯示排水系統工作狀態;通信分站與各傳感器及執行器之間形成無線傳感器網絡,通信分站對工控機的信號進行處理并負責與各傳感器和執行機構進行無線數據交換;各節點內部均集成射頻模塊,通過微處理器對數據進行采集存儲發送等相關命令。

圖1 系統工作原理

2 節點硬件設計

無線傳感器節點在傳輸距離、功耗、穩定性等方面具有較高要求,其核心模塊的性能將直接影響節點性能。設計中采用ADF7020作為模塊的核心元件,相比傳統CC2420它在通信距離穿透能力以及靈敏度等方面具有優勢。硬件結構框圖如圖2所示,由數據采集電路、處理器電路、射頻電路、電源電路、天線等組成。其主要任務是接收發送其他節點數據包,通過傳感器采集實時數據,執行通信分站傳出的命令。

圖2 節點硬件組成

2.1 射頻電路

核心模塊為ADF7020,它是一款收發半雙工的低功耗芯片,工作電壓范圍為2.3V到3.6V,工作頻率可以適用433MHZ、868MHZ、915MHZ的ISM頻段,輸出功率可編程,范圍可以從-20dBm到+13dBm,內部集成了功率放大器、低噪聲放大器、鑒相器、壓控振蕩器等無線通信需要的功能模塊。設計中選擇采用GFSK模式,工作頻率433Mhz,發射功率10dBm,采用接收模式的功率19mA,發射模式功率22mA。電路圖如圖3所示:MCU通過SLE控制芯片讀寫信號,通過SCLK、SDATA、SREAD完成具體讀寫操作。電阻R21、R24以及電容C14、C15、C16構成環路濾波器,用以控制壓控振蕩器的輸出頻率。由C18、C19、L2、L3構成信號匹配電路,用來調節參數將電路調節至最佳PA負載阻抗。 L4、L5、C20構成T型絕緣低通LC濾波器,用以滿足相關機構對雜散發射的要求。

圖3 射頻電路

2.2 處理器電路

無線傳感器節點要完成數據采集、轉發以及路由功能,其決定了選用的控制器具有較高的運行速度,較強的運算能力和存儲能力,還需要足夠的程序空間和數據空間。本設計中采用了PIC18F2480芯片,其主要特點是高速度、低電壓、低功耗,片內具有8k字節的ROM和256字節RAM,具有5個中斷源中斷控制系統。PIC18F2480可通過GPIO接口與射頻芯片ADF7020通信,其管腳連接如圖3、4標注所示。

圖4 處理器電路

2.3 信號采集電路

如圖5所示,該信號采集電路為管道液位傳感器采集電路。 X1、X2為兩金屬電極,F1為SMBJ6.5CA,該瞬態抑制二極管避免了來自電極的瞬態高能量沖擊。N2、N3為AQW210S光耦繼電器,它將控制電路與外部電路實現電氣隔離。U1A、U1B采用LM258芯片,該集成運算放大器兩部分的作用分別用作電壓跟隨器和電壓比較器,VR1為電位器,用來調節測量的靈敏度。光耦E1將采集信號與控制信號進行隔離并把信號傳送至處理器。控制器通過控制OE1、OE2兩端的電平狀態就可以控制電極的輸出。

圖5 信號采集電路

3 軟件設計

系統軟件設計關鍵在于無線傳輸控制上:物理層設計中遵循CSMA/CA機制,發送數據前監聽信道是否占用,如果占用則延時一個隨機時間再次監聽信道,如果空閑則發送數據。如果反復超過規定次數則放棄該數據;網絡層設計中遵循最小跳數路由算法,當節點上電后則立即建立到相鄰節點的路由,當連接到通信分站后選擇跳數最小的節點作為父節點進而形成了樹形拓撲結構。在工控機發送采集命令過程中,只需從路由表中查出集中器到采集器的路由地址,采集器收到查詢命令后,控制ADF7020發送回執數據。發送數據流程如圖6所示。

圖6 發送流程圖

4 系統總結

基于無線通信技術來構建礦井排水系統,具有使用方便,易于維護,工作可靠的特點。文章從排水系統節點出發,從硬件和軟件兩個方面展開介紹。整個系統其他節點均采用無線通信方式,以單片機控制實現各不同傳感器和執行器數據的無線收發,進而組成新的井下排水控制系統。

[1]謝紅,冀少威。液位傳感器檢測系統的設計[J]。應用科技,2009(11)。

[2]段輝偉。液位測控技術研究[J]。自動化與儀器儀表,2010(01)。

[3]Analog Devices。ADF7020-1 User's Guide。Analog Devices Inc,2005.

[4]孫利民,李建中,陳渝。無線傳感器網絡[M]。清華大學出版社,2005.

高原(1987-),男,山東日照人,碩士,主要研究方向:自動化控制。