基于CC2530的膠帶運輸機無線監測系統的設計研究

(華北科技學院 北京 101601)

前言

現代膠帶運輸機設備特別大型膠帶運輸機設備日益朝著高效率、高精度、高集成度和現代化、大型化、自動化、網絡化等方向發展,導致膠帶運輸機運行性能和結構復雜程度的不斷提高。對煤炭行業，設備的運行成本及維護成本較高，這就要求在提高其可靠性和產能的同時，增加故障維修間隔時間。要達到這些要求，以便早期發現膠帶運輸機運行元件、傳感器和執行機構的故障。因此，對膠帶運輸機監測監控系統的研究是非常必要的。

傳統的膠帶運輸機監測方式都是以有線的通信方式傳輸信號的。對于煤礦等比較復雜的工作環境，存在布線困難等問題[5]。針對傳這一情況，本文設計了基于CC2530 的ZigBee無線監測系統，實現對膠帶運輸機運行狀態的實時無線監測。

一、系統工作原理

膠帶運輸機監測系統主要包括數據采集模塊、通信模塊和顯示模塊，膠帶運輸機結構圖如圖1所示[3]。數據采集模塊和通信模塊均基于CC2530設計，基于CC2530分別構建ZigBee數據采集子節點和協調器節點。數據采集子節點傳感器采集到膠帶運輸機運行參數數據后，經CC2530自帶A/D轉換模塊將采集到的模擬信號轉換成數字信號，然后由協調器建立網絡，子節點加入網絡形成自組網，實現數據的無線通信。子節點將數字信號分兩路傳輸，一路直接發送給現場液晶顯示模塊，使得現場工作人員可以直觀的觀察膠帶運輸機運行狀態，另一路經節點無線收發模塊將信號發送給協調器節點。協調器節點接收信號，將數據經串口傳輸給PC端，使遠程監控中心的工作人員也可以隨時掌握膠帶運輸機運行狀態[4]。

圖1 膠帶輸送機結構布局圖

帶式輸送機主要由驅動裝置，輸送輥，帶子，返回輥，機架，張緊裝置和改向輥等組成。

1.部分為驅動部分：采礦運輸專用交流運輸電機、齒輪箱、驅動輥等，為采礦專用膠帶或皮帶輸送機作業提供牽引力。

2.部分為承載托輥部分：在膠帶或皮帶輸送機作業運輸煤礦的同時，減小膠帶輸送機工作作業時的阻礙大小。

3.部分為膠帶部分：由膠帶或皮帶與驅動滾筒兩者中間的大的摩擦力使得的膠帶或皮帶運輸煤礦時轉動工作。

4.為回程托輥。

5.為機架。

6.部分為張緊部分：它確保了磁帶具有足夠的張力，以便運輸帶和驅動輥之間有足夠的摩擦力以確保運輸帶具有一定的下垂度。

為了保證膠帶運輸機的穩定和有效率，必須在生產工作作業中安裝帶式輸送機的監控系統，實現帶式輸送機的狀態監測和故障保護。現有的帶式輸送機監控系統可實現對帶式輸送機工作電流、環境溫度、膠帶跑偏、膠帶堆煤、是否有火災等工作狀況的監測。

二、系統硬件設計

膠帶運輸機監測系統由上位機監控界面和膠帶運輸機網絡節點兩部分組成[2]。上位機監控界面由PC端與協調器通過串口相連。系統中，膠帶運輸機監測子節點由電壓電流檢測模塊、跑偏檢測模塊、煙霧檢測模塊、溫度檢測模塊和無線通信模塊五部分組成。

(一)主控芯片

系統主控芯片為TI公司生產的CC2530，它是用于2.4-GHz?IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。CC2530 有四種不同的閃存版本:CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。

(二)電壓檢測模塊

電壓的檢測選用電壓互感器LCTV31CE，此型號傳感器為電流型電壓互感器，屬微型精密電壓變換器，可采集交流電壓，隔離能力強，安全可靠。輸入側電阻限流使得到2mA的輸入電流，LCTV31CE輸出與輸入側同大小的電流，經整流濾波后輸入CC2530的P04、P05、P06引腳進行A/D轉換。

(三)電流檢測模塊

電流參數的測量，選用的霍爾傳感器ACS712，霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導體周圍產生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場，通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小[1]。從ACS712 的內部框圖與封裝解剖圖可以看出，原邊電流只是從芯片內部流過，與副邊電路并沒有接觸，原邊與副邊是隔離的，因為封裝小，所以ACS712 的隔離電壓為2100V。因為電流的流過會產生一個磁場，霍爾元件根據磁場感應出一個線性的電壓信號，經過內部的放大、濾波、與斬波電路，輸出一個電壓信號。經分壓濾波后，輸入到CC2530的P01、P02、P03引腳進行A/D轉換。

(四)溫度檢測模塊

溫度檢測選用DS18B20數字溫度傳感器，它可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供微機處理。從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息，僅需要一根口線(單線接口)。DS18B20提供九位溫度讀數，構成多點溫度檢測系統而無需任何外圍硬件，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。使用時也可將其粘貼或埋置在膠帶運輸機繞組部位，測量其局部溫度。

(五)煙霧檢測模塊

MQ-N10型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。處于200～300攝氏度時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調至而變化，就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。

(六)液晶顯示模塊

采用OLED顯示模塊，oled顯示屏是有機電激發光二極管同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異之特性，被認為是下一代的平面顯示器新興應用技術。

OLED為自發光材料，不需用到背光板，同時視角廣、畫質均勻、反應速度快、較易彩色化、用簡單驅動電路即可達到發光、制程簡單、可制作成撓曲式面板，符合輕薄短小的原則，應用范圍屬于中小尺寸面板。

圖2 子節點軟件流程圖

圖3 協調節點軟件流程圖

三、系統軟件設計

軟件設計包括上位機監控界面軟件設計、協調節點軟件設計和子節點軟件設計三部分。子節點負責與協調節點建立網絡，將采集到的膠帶運輸機數據經無線模塊發送給協調節點。程序流程圖如圖2所示。協調節點管理網絡，接受子節點發送過來的數據，處理后經串口將其發送給PC監控端。程序流程圖如圖3所示。

四、結語

該系統結合現場應用條件，以一臺中小功率型膠帶運輸機為研究對象，以TI公司的CC2530為核心設計無線傳感節點，并針對膠帶運輸機運行過程中的電壓、電流、溫度、煙霧幾個重要參數，分別采用電流型電壓互感器LCTV31CE、電流傳感器ACS712、溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-N10采集數據，實現了對膠帶運輸機運行狀態的實時監測，具有工作穩定可靠、無線通信靈活、使用方便等特點，可廣泛應用于各領域膠帶運輸機運行狀態在線監測。