基于NB-LOT的礦用提升機(jī)智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李文龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 大同 037001）

引言

目前煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來越高，伴隨著其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求也越來越高，以便實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)集中控制。然而礦用提升機(jī)是煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，所以監(jiān)測(cè)礦用提升機(jī)是必不可少的。

在文獻(xiàn)[1]中，一種由Lindberg 等人研究了多圖像、多終端端傳感器和多數(shù)據(jù)通道技術(shù)，將礦用提升機(jī)的工作區(qū)設(shè)定為多圖像的重合區(qū)，多攝像頭傳感器拾取的圖像畫面可以多維的監(jiān)測(cè)提升機(jī)狀態(tài)信息，通過對(duì)多維圖像信息進(jìn)行綜合判斷，進(jìn)一步對(duì)控制策略進(jìn)行發(fā)送。且對(duì)控制策略進(jìn)行評(píng)估，無害決策才會(huì)被控制系統(tǒng)下發(fā)。該專利技術(shù)對(duì)提升機(jī)監(jiān)測(cè)存在很大的不確定性，不利于廣泛使用和信息共享。

在文獻(xiàn)[2-3]中，劉松國對(duì)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行提升機(jī)監(jiān)測(cè)報(bào)警管理的系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了論述，在文獻(xiàn)[4-5]中，吳衛(wèi)等人對(duì)RFID 無線標(biāo)簽技術(shù)在提升機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且對(duì)該成果進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，對(duì)進(jìn)一步研究遠(yuǎn)程監(jiān)控礦用提升機(jī)的技術(shù)打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)研究了C8051F340 串口在提升機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方向的應(yīng)用。上述監(jiān)測(cè)技術(shù)均是建立額外的數(shù)據(jù)基站成本頗高并且數(shù)據(jù)的共享成本也很高。

綜合上所述，國外對(duì)提升機(jī)的安全監(jiān)測(cè)尤為重視，礦用提升機(jī)的使用安全更為重要，即利用各種通信設(shè)備優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了各種提升機(jī)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。但是研究最主要集中在建立相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)基站，共享成本非常高，互聯(lián)程度不高。沒有發(fā)揮目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特有的廣覆蓋，監(jiān)測(cè)成本低，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。

1 智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，信息平臺(tái)包括移動(dòng)SIM 卡900 MHz的BN-LOT 模塊和溫度傳感器，BN-LOT 通過獲得溫度傳感器的溫度信息發(fā)送給移動(dòng)基站。共享平臺(tái)可以把信息通過手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)平臺(tái)和維修人員。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.1 信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

其信息平臺(tái)中，選擇移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的模塊服務(wù)，其型號(hào)為WH-NB73-B8。如圖2 所示是WH-NB73-B8 引腳圖。該模塊采用窄帶頻率技術(shù)，雖然其速率較低，但是通信功耗極低，便于移動(dòng)通信。WH-NB73-B8 模塊利用其低功耗優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用到蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)中，模塊化使用技術(shù)成熟度高，便捷。

圖2 WH-NB73-B8 引腳圖

選擇TMP101 作為溫度傳感器，其引腳圖如下頁圖3 所示，其為TI 公司生產(chǎn)的低功耗，高精度數(shù)字溫度傳感器其采用I2C 兩線數(shù)字接口。可用于高分辨率和寬量程的環(huán)境中。采用SOT23 封裝，六個(gè)引腳，分別為串行時(shí)鐘口、接地腳、總線報(bào)警輸出、開路、電源端、用戶設(shè)置地址輸入、串行數(shù)據(jù)線。

圖3 TMP101 引腳圖

1.2 信息平臺(tái)的硬件連接

如圖4 所示，SCL 和SDA 分別是時(shí)鐘線和串行總線，即通過時(shí)鐘信號(hào)線對(duì)數(shù)據(jù)接收進(jìn)行規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的傳輸。由于模塊的I2C_SDA 內(nèi)部電路的特性圖中的數(shù)據(jù)線需要上拉電阻。I2C 總線通信協(xié)議，只有當(dāng)總線不忙時(shí)才可以開始傳輸數(shù)據(jù)。在總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)線為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA 必須保持不變，只用在啟動(dòng)或停止的狀態(tài)信號(hào)到來后，數(shù)據(jù)線SDA 才能改變。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平且數(shù)據(jù)線SDA 從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)產(chǎn)生起始位信號(hào)，TMP101 監(jiān)測(cè)SDA 和SCL的狀態(tài)，只有當(dāng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，啟動(dòng)工作。

圖4 信息平臺(tái)的連接示意圖

2 數(shù)據(jù)采集模塊與軟件的設(shè)計(jì)

通過安裝在礦用提升機(jī)中的溫度傳感器，監(jiān)測(cè)到溫度值，通過I2C的兩線傳輸方式傳輸給NB-IOT模塊。NB-IOT 模塊則通過自身的安裝的天線以及安裝的SIM 卡把信息發(fā)送給配置好的聯(lián)系人。

數(shù)據(jù)采集是通過TMP101 傳感器對(duì)礦用提升機(jī)周圍的溫度信息進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給WH-NB73-B8。

軟件設(shè)計(jì)是對(duì)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)指令集，NB 模塊通用兼容。通過打包AT 指令發(fā)送數(shù)據(jù)，輪詢AT 指令查詢接收數(shù)據(jù)。如圖5 所示，AT 指令初始化圖。如圖6所示，參數(shù)設(shè)置界面：主要設(shè)置模塊的基本參數(shù)，配置指令內(nèi)容，設(shè)置發(fā)送地址，即用戶信息。如圖7 所示，為聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)模式：對(duì)模塊初始狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，簡(jiǎn)單確認(rèn)模塊狀態(tài)。

圖5 指令初始化設(shè)置

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

圖7 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)

3 數(shù)據(jù)接收和檢驗(yàn)

通過上文信息平臺(tái)設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)硬件連接，包括使用TMP101 傳感器和WH-NB73-B8 模塊I2C數(shù)據(jù)總線連接方式以及串行總線通訊協(xié)議。最后對(duì)WH-NB73-B8 模塊的軟件配置，包括對(duì)AT 指令的初始化和用戶信息的設(shè)置。通過用戶數(shù)據(jù)發(fā)送傳感器信息，不需要額外的基站。

礦用提升機(jī)采集到提升機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行格式編碼。利用串口通信模式，編碼后的數(shù)據(jù)通過AT 命令形式發(fā)到NB-IoT 模塊。NB-IoT 模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照AT 格式，最后利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)協(xié)議模式，打包監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包，包格式為UDP 協(xié)議。當(dāng)平臺(tái)接收到物聯(lián)網(wǎng)信息，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，找到對(duì)應(yīng)的編碼格式，對(duì)設(shè)備profile 中描述的service 進(jìn)行匹配，存儲(chǔ)于平臺(tái)中，利用平臺(tái)服務(wù)器獲取平臺(tái)信息；同時(shí)共享服務(wù)數(shù)據(jù)，開通訂閱接口，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。服務(wù)器或手機(jī)終端會(huì)實(shí)時(shí)接受平臺(tái)發(fā)出的POST 消息。

本文通過對(duì)比手機(jī)接收溫度信息和溫度計(jì)溫度信息，確定礦用提升機(jī)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可用性。其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8 所示。經(jīng)計(jì)算數(shù)據(jù)在工業(yè)5%誤差范圍內(nèi)，可以正常使用。

圖8 測(cè)試數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較圖