基于無線傳感器網絡的采煤機狀態監測系統研究

馮曉劍

(山西孝義西山德順煤業有限公司，山西 孝義 032300)

0 引言

隨著工業規模的擴大，我國對能源的需求日益增長，其中煤炭是我國消耗量最大的一次能源，約占能源消費總量的70%。因此煤炭產業的高效與安全對我國經濟的可持續發展具有重要意義。自動化技術的迅速發展大幅提高了煤礦機械化程度，使得礦井的生產成本進一步降低，但機械化設備突然發生故障或損壞時，將對煤礦企業造成經濟損失并對工作人員的人身安全造成威脅。井下復雜惡劣的環境意味著煤礦產業的高危險性，采煤機極易出現故障或損壞，因此本文設計了一種新型的基于無線網絡的采煤機狀態監測系統，以實時檢測出采煤機的故障狀態，快速消除或預防故障，從而提高采煤機的使用壽命和可靠性。

1 無線傳感器網絡與ZigBee技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)技術最初在20世紀70年代被應用于軍用設備，美國空軍基于該技術發明了一種空中報警設備，可進行點對點通信以實現對設備狀態的實時監控。1980年，美國研究機構DAPRA設計了一種由多個傳感器節點連接形成的無線傳感器網絡。

近年來，國外對無線傳感器網絡的研究取得了較大進展，例如澳大利亞學者開發了一種可適應復雜環境的無線傳感器，提高了無線通信距離；泰國學者設計了基于無線傳感器的定位系統，使得定位誤差進一步減小。我國對無線傳感器網絡的研究也取得了一定成果，如中科院開發了基于無線傳感器網絡的農田信息監控系統；西南交大設計了基于ZigBee技術的無線網絡病房監護系統。無線網絡具有節點多且密度大、分布式結構、自動組網及無需布線等優點，非常適合應用于礦井復雜環境下設備的監測。

ZigBee技術是用于組建無線傳感器網絡的先進技術，具有延時短、成本低、功率損耗小、穩定性高、網絡結構靈活等特點，已成為近年來的研究熱點，因此本文采用ZigBee技術組建采煤機狀態監測系統的無線傳感器網絡。

2 采煤機狀態監測系統設計要求與總體設計

2.1 采煤機狀態監測系統設計要求

因礦井下工作環境較為惡劣，要準確并穩定實現對采煤機狀態的實時監測，采煤機監測系統需滿足以下幾個要求：

(1)體積小：采煤機在礦井綜采工作面運行時，機械部件易與外部土壤、石塊等發生碰撞，因此應避免監測設備安裝在易與外部摩擦發生故障或損壞的位置，同時應滿足方便監測設備狀態的要求，所設計的監測系統設備應足夠小。根據實際應用情況，本文設計的采煤機監測設備的尺寸不大于80 mm×60 mm×60 mm。

(2)功率損耗小：監測設備一旦被安裝在采煤機上后應避免頻繁拆卸，因此應選擇耗電量低的元件，同時應盡量降低采樣信號的傳輸頻率。

(3)易擴展：目前所設計的采煤機狀態監測系統監測位置較少，考慮到未來監測系統的發展趨勢應是礦井的全面監測，設計時應考慮到監測系統的可擴展能力。

(4)成本低：基于無線傳感器網絡的監測系統中節點數量較大，因此成本問題不可忽略。在監控系統可快速與穩定地對采煤機狀態進行監測的前提下，應盡量通過軟件實現系統需要的功能，并優化硬件設計從而降低整個系統的建設成本。

2.2 采煤機狀態監測系統總體設計

采煤機需要監測的狀態信息主要是其工作過程中的溫度與振動頻率，一旦溫度超標或振動頻率不在正常范圍時，監測系統應能快速判斷出故障情況并進行報警。本文基于采煤機的設備特點與礦井工作環境，對采煤機狀態監測系統進行了總體設計，為縮小整個系統的體積，整個監控系統分為采樣與監測兩個部分。狀態監控系統由機器狀態數據采樣模塊(傳感器節點)、數據傳輸模塊(匯聚節點)、監控上位機(管理節點)構成。圖1為基于無線傳感器網絡的采煤機狀態監測系統總體結構圖。

圖1 基于無線傳感器網絡的采煤機狀態監測系統總體結構圖

采煤機狀態數據采樣模塊由溫度傳感器與振動傳感器對采煤機工作時的溫度與振動信號進行采樣和處理，傳感器可對采煤機上多個位置進行溫度和振動頻率采樣，數據傳輸模塊則以無線通信的方式將采樣得到的信號傳送至監控上位機，最終由上位機軟件對數據信息進行分析以判斷采煤機是否發生故障。

3 采煤機狀態監測系統的軟件設計

3.1 無線傳感器網絡的構建

監測系統由兩種功能不同的設備組成，即協調器與終端設備。協調器通過創建網絡MODE_HARD實現初始化，終端設備則通過鏈接模式MODE_JOIN啟動；若設備已處于在線狀態，則設備狀態為MODE_RESUME；若設備掉線重連，則網絡名應為MODE_REJOIN。

無線網絡的構建有以下兩個步驟：

(1)協調器創建網絡，系統中只有一個協調器，可認為其是整個監測系統的大腦。首先對節點進行格式化，再進行初始化和分配網絡地址。協調器的網絡層NWK給每個終端設備分配唯一的IP地址，從而區分不同的終端設備。

(2)將終端設備加入網絡，本文所設計的監測系統采用無需路由器的星型連接方式，便于維護與修理。終端設備上電后，首先對其進行格式化，然后搜索網絡并申請加入網絡；申請發出后，協調器接收到此申請，向終端設備反饋允許信息，終端設備接收到此信息后即可加入網絡。

3.2 數據采樣系統程序設計

無線通信技術的成熟使無線傳感器網絡得到廣泛的應用，采煤機中需測量的數據首先需通過傳感器采樣和處理得到可分析的信號。整個監測系統由數據采樣、數據傳輸與上位機監測3部分組成。不同類型的數據均由相應的傳感器進行采樣處理和傳輸，如溫度與振動頻率的數據分別由溫度傳感器DS18B20和加速傳感器ADXL345采樣得到，再通過編程將采樣數據轉換為可用信號。

數據采樣系統程序主要包括微處理器的初始化程序、溫度數據的采樣程序及振動數據的采樣程序。本文采用的微處理器為MSP430，要對其進行初始化，首先需對微處理器進行格式化，關閉看門狗程序，對寄存器選擇外部時鐘源，將24 MHz頻率的晶振作為主時鐘和子時鐘，32 768 Hz的晶振作為輔助時鐘；隨后對I/O接口與通訊初始化，選擇對應的寄存器設置I/O接口狀態、輸入輸出方向，并設置采樣率、程序執行位置及終止位置等。圖2為MSP430微處理器的初始化流程。

圖2 微處理器初始化流程圖

通過溫度傳感器的DQ引腳與微處理器的P10.6引腳連接，從而實現溫度的采樣與控制。在向溫度傳感器發送控制信號前，需得到其時序圖，才能準確實現對溫度傳感器的控制。微處理器與傳感器之間的傳輸分為4步，即復位、ROM運行指令、RAM存儲器運行指令及信號處理。振動數據的采樣與溫度數據采樣的步驟一樣，也需得到加速傳感器ADXL345的時序圖，以實現對振動頻率的控制。

4 結束語

隨著無線通信技術的發展，無線傳感器網絡在多個行業得到廣泛應用，本文將其應用于采煤機狀態監測系統，可實現對采煤機狀態的實時監測，有利于降低采煤機的事故率并提高煤礦的生產效率。