基于MSP430和ZigBee的煤礦液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任彥峰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

液壓支架是煤礦綜采面重要的支護(hù)設(shè)備，可有效防止煤礦碎塊掉落威脅到人身設(shè)備安全，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有非常重要的作用。目前采用的液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用PLC控制器配合有線數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，存在占用空間大、有線布線復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等問(wèn)題，電纜線很有可能隨著液壓支架落架、移架等操作破損斷裂，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中斷，工作人員將無(wú)法實(shí)時(shí)了解液壓支架的動(dòng)態(tài)壓力變化，存在很大的安全隱患[1-2]。

因此，依托MSP430單片機(jī)和ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套液壓支架微型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并展開(kāi)分析。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)方案

圖1所示為基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)框圖。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)方案

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以下部分組成：遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、光纖以太環(huán)網(wǎng)、CAN總線轉(zhuǎn)以太環(huán)網(wǎng)模塊、壓力采集節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等。其中，壓力采集節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)共同組成ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，替代原有的井下有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，由壓力采集節(jié)點(diǎn)采集液壓支架的壓力信息，匯聚融合傳給路由器節(jié)點(diǎn)，再由路由器節(jié)點(diǎn)上傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)光纖以太環(huán)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸給地面的控制中心，同時(shí)控制中心也可通過(guò)同樣的通道下達(dá)控制指令，實(shí)現(xiàn)信息的上傳下達(dá)；CAN總線轉(zhuǎn)以太環(huán)網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)將在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和光纖以太環(huán)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

2 硬件部分結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 壓力采集節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

圖2所示為壓力采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。壓力采集節(jié)點(diǎn)由MSP430單片機(jī)、壓力傳感器、信號(hào)調(diào)制電路、ZigBee模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警裝置、供電模塊等組成。其中，MSP430單片機(jī)是核心處理器；壓力傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)液壓支架各個(gè)位置的壓力信號(hào)，信號(hào)調(diào)制電路負(fù)責(zé)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接收的電信號(hào)；ZigBee模塊負(fù)責(zé)與路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；供電模塊通過(guò)不同的穩(wěn)壓芯片分別為壓力傳感器、信號(hào)調(diào)制電路、ZigBee模塊供電；聲光報(bào)警裝置負(fù)責(zé)超限預(yù)警；液晶顯示模塊負(fù)責(zé)顯示壓力數(shù)據(jù)；鍵盤輸入模塊負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)定。

圖2 壓力采集點(diǎn)硬件方案框圖

壓力傳感器選用SLM211硅壓阻式壓力傳感器，為減小溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，采用恒流源對(duì)傳感器進(jìn)行供電；MSP430單片機(jī)具體型號(hào)選用MSP430F5438單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)體積小、功耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)，可以擴(kuò)展ZigBee等功能模塊[3]。

2.2 信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器SLM211量程為0～30 mV左右，數(shù)據(jù)信號(hào)微弱，單片機(jī)MSP430無(wú)法識(shí)別，因此必須通過(guò)信號(hào)調(diào)制電路將傳感器輸出的電壓信號(hào)放大才能上傳給單片機(jī)進(jìn)行處理。為此，本文專門設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)制電路，選用的運(yùn)算放大器為AD620，供電電壓為±2.3～±18 V，該運(yùn)算放大器體積小、功耗低、精度高、噪聲低，通過(guò)一個(gè)外部電阻就能設(shè)定1～1 000倍的放大系數(shù)。信號(hào)調(diào)制電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì)

2.3 ZigBee無(wú)線通信方案設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由壓力采集節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)共同組成。考慮礦井工作環(huán)境各方面因素，綜合考慮開(kāi)發(fā)成本、功耗、硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，三者皆采用無(wú)線通訊模塊CC2530[4]。

路由器節(jié)點(diǎn)主要是用于匯聚壓力采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離，由供電模塊和CC2530模塊組成。供電模塊采用了穩(wěn)壓芯片REG1117-3.3，將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓進(jìn)行供電。路由器節(jié)點(diǎn)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 路由器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由隔爆型本安電源、電壓轉(zhuǎn)換電路、CC2530模塊、報(bào)警電路、液晶顯示屏、CAN總線通信電路組成，主要負(fù)責(zé)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚融合、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與光纖以太環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的接收、報(bào)警、顯示等功能。圖5所示為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件框圖。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.4 CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

CAN總線通信電路用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與光纖以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸１鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)的CAN總線通信電路圖如圖6所示。通信電路由CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器CTM1050T構(gòu)成，通過(guò)這兩個(gè)模塊互相配合，大幅提高了CAN通信電路的抗電磁輻射、干擾能力。

圖6 CAN總線通信電路設(shè)計(jì)

MCP2515模塊與CC2530模塊之間采用串行外設(shè)接口SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中，CC2530模塊作SPI主控制器，MCP2515模塊作SPI從控制器，通過(guò)這種傳輸方式，不僅提高了數(shù)據(jù)通信的速率、可靠性，也減少了對(duì)CC2530模塊I/O的使用。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，包含三部分內(nèi)容：壓力采集節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序。對(duì)于壓力采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，由主程序?qū)嵭姓{(diào)用子程序，程序模塊包括主程序、ZigBee通信子程序、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤輸入子程序、報(bào)警子程序、液晶顯示子程序等。

對(duì)于壓力采集節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中CC2530應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)統(tǒng)一采用ZigBee2007協(xié)議棧在IAR軟件平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。編程語(yǔ)言使用C、C配合匯編語(yǔ)言編寫程序并進(jìn)行編譯、調(diào)試[5]。下頁(yè)圖7所示為MSP430單片機(jī)主程序流程框圖。

圖7 壓力采集節(jié)點(diǎn)主程序流程框圖

下頁(yè)圖8所示為壓力采集節(jié)點(diǎn)中CC2530模塊的程序流程框圖。

圖8 壓力采集節(jié)點(diǎn)CC2530程序流程框圖

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析與總結(jié)

目前，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已完成調(diào)試，并在礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施安裝和投入使用。經(jīng)投入運(yùn)行一年來(lái)，效果表明：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體性能均可滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)備功耗低，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高，尤其是設(shè)備在安裝過(guò)程中，無(wú)線方式節(jié)省了大量人力、物力和空間，突顯出了很大的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)可對(duì)0～60 MPa的壓力值進(jìn)行測(cè)試，為了進(jìn)一步體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)越性，將礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集到的液晶顯示屏上的壓力值與上位機(jī)上顯示的壓力值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 礦井壓力實(shí)際采集值與上位機(jī)顯示值對(duì)比

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者得到的壓力值誤差小于1%，表明該無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)井下液壓支架壓力數(shù)值的變化。

5 結(jié)論

基于MSP430微型控制技術(shù)和ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套可通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行液壓支架壓力監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，不僅可以避免有線傳輸方式存在的電纜易破損、占用空間大的問(wèn)題，而且安裝方便，提高了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，降低了監(jiān)測(cè)誤差，以及系統(tǒng)的運(yùn)行功耗，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用壽命，廣泛應(yīng)用于對(duì)礦井液壓支架壓力的監(jiān)測(cè)中。