面向采煤機械在線狀態監測系統設計

王大為+韓建強+薛晨陽+穆濟亮+王永華+張增星

摘 要： 隨著無線傳感網絡在人們日常生活中的應用越來越普及，傳感網絡節點的可持續工作能力問題日益突出。對無線傳感網絡節點的功耗問題進行分析，并設計出一種面向采煤機械的基于MSP430微控芯片的低功耗在線狀態監測系統。根據低功耗在線狀態監測系統采集機械設備所處環境中的振動和溫度信息進行數據判斷，進行異常報警。經過實驗驗證，該系統在數據傳輸、數據顯示和功耗測試等方面都達到了設計要求。

關鍵詞： 低功耗系統； 無線傳感； 狀態監測； 采煤機械

中圖分類號： TN915?34； X84 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0163?03

Design of online condition monitoring system for coal?mining machinery

WANG Dawei， HAN Jianqiang， XUE Chenyang， MU Jiliang， WANG Yonghua， ZHANG Zengxing

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： With the wide application popularization of the wireless sensor networks in people′s daily life， the sustainable work capacity issue of the sensor network node becomes increasingly prominent. The power consumption of the wireless sensor network node is analyzed. A low?power consumption online condition monitoring system based on MSP430 for coal?mining machinery was designed. The low?power consumption online condition monitoring system carries out data judgement according to the vibration and temperature information in the environment where the mechanical equipment is working， and gives an alarm for the abnormal condition. The system can satisfy the design requirements in the aspects of data transmission， data display and power consumption， which has been verified in the experiment.

Keywords： low power consumption system； wireless sensing； condition monitoring； coal?mining machinery

煤礦機械系統是一個集機械、電氣和液壓為一體的大型復雜系統[1]，在其生產過程中，工作環境十分惡劣，易受到煤塵、水霧等其他方面的污染；同時在其運轉時易受到來自煤、巖石等的巨大沖擊力，從而導致煤礦機械出現軸承、液壓系統[2]及機械系統的故障，體現在異常的溫度和振動狀態變化，且旋轉部件損壞極易引發二次損傷和工傷事故等安全問題。因此，監測系統運行狀態[3]，避免意外停機及惡性事故的發生，對于提高設備的可靠性、經濟性、利用率以及降低生產成本具有重要的科學意義和應用價值。旋轉類重型采煤機械具有旋轉、強振動等特點[4]，對能跟旋的在線狀態監測微納系統提出更為苛刻的要求，有線電源和信息采集線路由于纏繞問題無法安裝，所以監測系統需要采用獨立能源供給和無線數據收發技術[5?6]。通過對振動和溫度信號[7?8]的監測、分析和處理，可以監測設備的運行狀態，識別機械設備的故障類型、故障來源，這些信息的監測對于安全生產是至關重要的。本文設計的基于MSP430單片機的無線監測系統[9]可以在超低功耗的狀態下實現對機械設備運行狀態的在線監測[10]，而且結構簡單，可以利用狹小空間完成監測任務。

1 系統結構

系統由兩大單元組成，一是數據采集與傳輸節點，另一個是監測報警中心，如圖1所示，整個系統的工作流程如下：由溫度監測傳感器和加速度監測傳感器進行數據測量，然后將數據交由微控制中心（MCU）也就是MSP430單片機處理，MCU將數據打包傳至無線模塊，然后無線模塊通過ZigBee通信協議上傳至監測報警中心；上位機接收數據，并將數據存儲到數據庫中，上位機能夠進行實時數據圖形顯示并具有閾值報警功能。

2 硬件設計

數據采集傳輸節點的控制硬件包括電源模塊、數據采集模塊、中央控制模塊及無線發射模塊，系統硬件構成示意圖如圖2所示。

2.1 電源電路設計

MSP430單片機的工作電壓一般為低電壓供電，電壓范圍是1.8～3.6 V。電源電路由兩部分構成：振動能量采集單元，振動能量采集單元利用納米發電機將機械的振動能量轉化成電能為系統供電；ASM1117穩壓單元，該單元能夠滿足硬件系統對供電電源的穩壓、紋波小等要求。

2.2 數據采集模塊

采集電路包含兩部分數據的采集，一部分是溫度數據采集，另一部分是振動數據的采集，數據采集電路如圖3所示。溫度數據采集選用DS18B20數字溫度傳感器，DS18B20通過DQ協議發送或接收信息，因此在微控制中心和DS18B20之間僅需一條連接線。一條控制指令指示DS18B20完成一次溫度測量，測量結果存放在暫存器中，用戶用一條讀取操作指令就可以將暫存器中的數據讀出，DS18B20以數字量的形式進行數據輸出，避免了A/D轉化，簡單方便，節約片上資源。振動數據采集選用ADXL345超低功耗三軸加速度數字傳感器，ADXL345通過I2C協議與微控制中心進行通信，該芯片的集成式存儲器管理系統采用一個32級FIFO緩沖器，在讀取數據過程中將主機處理器負荷降至最低，進而能降低整體功耗。

2.3 中央控制模塊

控制電路主要包括復位電路部分、晶振部分及微控制中心。復位電路部分采用上電自復位電路，根據MSP430芯片手冊設計為低電平復位。晶振部分分為兩套時鐘機制，一個16 MHz的有源晶振和一個32.768 kHz的石英晶振。中央控制模塊根據系統的能耗協調匹配算法，實現系統動態功耗管理（Dynamic Power Management，DPM）。該功耗管理方法使系統循環進入活動模式和待機模式。系統活動模式消耗的電量約為40～50 mA，在待機模式下僅為10 μA左右，使系統各個模塊都運行在恰好滿足所需性能要求的功耗模式下，從而在不影響系統性能的前提下大幅降低系統平均功耗，如圖4所示。

2.4 無線發射模塊

無線發射電路用來負責數據傳輸，即與上位機的通信，采用基于ZigBee協議的CC2530射頻單元，支持串口通信，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，廣泛應用于低功耗傳感網絡。MSP430通過串口向CC2530發送數據，包含接收到的溫度和三軸加速度值，然后CC2530將溫度和加速度的監測值按照通信協議打包發送。

3 軟件設計

3.1 數據采集與傳輸節點程序設計

系統的數據采集與傳輸節點的程序設計部分是在基于C語言的IAR軟件平臺上完成編譯和調試。主程序流程圖如圖5所示。系統上電之后，首先進行時鐘和射頻部分硬件初始化。然后是對傳感器進行初始化，建立微控中心和兩個傳感器之間的數據通道，開始數據采集，將采集到的數據通過串口發送至無線射頻模塊，接著進入循環。在循環中無線射頻模塊將采集到的數據打包發送出去，當循環結束后，系統進入低功耗模式，等待下次工作的開始。

3.2 監測報警中心程序設計

上位機用戶界面的軟件設計基于LabVIEW開發平臺，用戶界面上能夠實時地顯示監測節點發送過來的數據，并將這些數據以曲線的形式進行數據顯示，當監測數值超過設定的報警閾值時，報警燈由綠變紅進行報警。還可以進行其他操作，如查看數據庫保存的各時段監測數據；對數據進行管理操作；查看生成報表。程序設計包括主界面、用戶登錄界面、數據實時監控與警報等部分，程序主界面如圖6所示。

4 測試結果

4.1 功能測試

功能測試主要包括傳感器信號采集，MSP430和CC2530的串行通信，無線通信測試和上位機監測。功能測試主要在上位機上進行顯示，即可直觀地得到結果。圖7為一個實測案例：將設計的數據采集與傳輸節點樣機放在一個小型振動臺上，進行溫度和加速度的數據采集，可以從上位機界面中直接觀察到振動臺的振動情況和環境實時溫度。

4.2 數據采集與傳輸節點功耗測試

數據采集與傳輸節點功耗直接決定了系統性能，功耗大小直接影響著系統工作的可持續能力，為了確定下位機節點的功耗大小，進行了對整個節點和節點各個模塊的工作狀態下功耗測試實驗。測試結果如表1所示。可以通過表中數據計算出在工作模式系統總功耗在171.039 mW以下，進而保證系統在完成系統的數據采集傳輸功能前提下達到超低功耗的設計目的。

5 結 論

本文設計的面向采煤機械在線狀態監測系統，根據大型機械對在線監測系統需要采用獨立能源供給和無線數據收發的要求，采用了一種動態功耗管理的方法進行數據的采集發送，通信和數據傳輸采用的是基于ZigBee通信協議的無線傳輸方式，用戶可以通過監測報警中心的用戶界面直觀地看出機械的運行狀況，并且當運行狀態出現偏差時，上位機可以立刻報警。經過實驗驗證，該系統在數據傳輸、數據顯示和功耗測試等方面都達到了設計要求。該研究成果對提升煤炭工業生產效率，降低煤礦機械安全事故率、提升煤礦重型機械裝備的智能化改造具有一定的應用價值和現實意義。本文在研究過程中發現，在低功耗設計上該方案仍有進一步挖掘的潛力。隨著傳感器技術、嵌入式計算技術、無線通信技術的進一步發展，相信在不久的將來，更加智能環保的無線無源監測節點將成為測試領域的主流。

參考文獻

[1] 徐小粵.采煤機械的技術現狀與發展趨勢[J].中州煤炭，2005（4）：15?16.

[2] 朱其武，王清香.基于WINDOWS的采煤機液壓CAT系統[J].液壓與氣動，2005（3）：8?9.

[3] 何泳，段志善.基于計算機控制的狀態監測與故障診斷系統[J].現代電子技術，2003，26（4）：53?55.

[4] 王大川，于利洋.滾筒采煤機的工作原理分析[J].科技資訊，2012，（7）：89?89.

[5] 湯寶平，黃慶卿，鄧蕾，等.機械設備狀態監測無線傳感器網絡研究進展[J].振動、測試與診斷，2014，34（1）：1?7.

[6] 周聰聰，涂春龍，高云，等.腕戴式低功耗無線心率監測裝置的研制[J].浙江大學學報（工學版），2015（4）：798?805.

[7] 魏明明，關詠梅，郭濤等.基于CC2530的無線溫度傳感器網絡的設計[J].計算機測量與控制，2015，23（6）：2233?2236.

[8] REHMAN A U， ABBASI A Z， ISLAM N， et al. A review of wireless sensors and networks' applications in agriculture [J]. Computer standards & interfaces， 2014， 36（2）： 263?270.

[9] 胡敦利，李亮，高楊，等.基于MSP430的空氣環境質量監測系統設計[J].高技術通訊，2015，25（3）：279?285.

[10] 曹小佳.面向機械振動監測的無線傳感器網絡時間同步研究[D].重慶大學，2010.