基于無線傳感網絡的礦井水泵性能測試系統的設計

陳方華

（1.安徽煤礦安全監察局安全技術中心，合肥 230601：2.安徽煤礦礦用安全產品檢驗中心，合肥 230088）

煤礦排水泵是煤礦礦井排水的重要機電設備，水泵的運行正常與否直接關系煤礦排水系統的排水能力和礦井的安全運行。對水泵的運行性能和狀況進行監控和進行性能測試具有重要的現實意義。

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內部或附近的大量造價低的、具有通信、感測及計算能力的微型傳感器器節點通過自組織網絡構成的“智能”測控網絡。相比傳統的水泵監控和檢測方式，無線傳感網絡在礦井水泵的性能監測和性能測試過程中具有很好的應用市場，具有造價低、精確度高、可以實時監控和傳輸水泵的性能數據等優勢。

1 系統結構設計

本系統采用美國TI公司的片上系統CC2530和溫度、振動、噪聲、電流、電壓等傳感器構成終端傳感器節點，通過各傳感器節點實時采集數據，各無線傳感網絡節點采集數據后，采用ZigBee無線傳感網絡通信技術作為數據的傳輸協議，將各傳感器的數據傳輸到路由器節點，路由器節點將數據傳輸到協調器節點，協調器節點將數據傳輸到主機，主機完成對數據的采集、分析、計算處理等數據處理，根據數據結果得出結論。系統結構圖如下：

1.1 硬件設計

1.1.1 傳感器節點的設計

煤礦排水泵和排水系統性能測試過程中需要測試的參數有：水泵流量、水泵振動、水泵電機運行電壓、電流、功率等參數；本系統中水泵流量的測試通過測試水泵進出水口水的溫度差計算水泵的流量獲得，所以本系統中設計溫度測試無線傳感節點實現水泵流量的測量。本系統中采用的DS18B20 是常用的數字溫度傳感器，測溫范圍-55～+125℃，工作電源DC3.0～5.5V，可直接輸出數字信號，體積小，其與片上系統CC2530等單片機微處理器連接時僅需要一條口線即可實現雙線通信；可將其封裝后應用于多種場合。

噪聲傳感器，按照其原理分為電容式、壓電式和電動式等類型，電容式在實際噪聲測試中應用最廣泛，本系統中選用美國PCB公司的噪聲傳感器PCB-130D20。本系統中采用三軸加速度傳感器來采集水泵上某個測試點在空間三個方向（x，y，z）上的加速度值。本系統中采用美國Endevco公司生產的Endevco-65-100。本文中將各類傳感器和CC2530組成各傳感器節點，各傳感器節點具有實時采集數據和傳輸數據的數據通信能力。數據采集節點的結構框如下圖：

2 軟件設計

本系統上位機軟件采用labview設計，labview是由美國國家儀器（NI）公司研制開發的圖形化編程語言的開發環境，是虛擬儀器軟件的典型代表，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受。本文中軟件系統主要包括五大功能模塊，即參數設置模塊，數據采集傳輸模塊，數據處理模塊，數據管理模塊，報告生成模塊。軟件的結構框圖如下圖：

2.1 傳感器節點軟件流程圖

傳感器節點主要負責數據的采集和數據的傳輸，傳感器節點采用Zigbee協議組網，節點軟件流程圖如下圖：

2.2 協調器節點軟件流程圖

協調器節點承擔著匯聚各節點傳感器的數據和連接主機的重要樞紐作用，在整個系統通信過程中發揮著重要的作用，協調器的運行效率與系統的速度、信息傳輸的可靠性、誤碼率等息息相關。

協調器首先對Zigbee網絡協議棧和設備初始化，然后組網，當協調器收到傳感器節點的入網請求時，協調器會分配地址給傳感器節點，傳感器節點可以利用分配的地址與其他網絡節點通信，協調器同時通過發送入網響應幀的方式給傳感器節點以確認是否組網成功，組網成功后雙方可以正常進行數據通信，協調器節點的軟件流程圖如下圖：

3 結束語

本文提出了基于ZigBee的無線傳感網絡的水泵性能測試系統的思路，給出了系統節點和主機的軟硬件實現方式，選擇了成本低、耗電量小的Zigbee作為無線傳輸方式，采用低功耗的CC2530作為傳感器處理器，能夠滿足水泵性能測試的精度要求。本系統經現場驗證，系統安全可靠，對提高水泵性能測試工作效率具有較好的實用價值。