礦井通風機智能監控系統的研究

秦 寧

（山西忻州神達南岔煤業有限公司， 山西 忻州 036700）

目前礦井通風機的狀態監測系統普遍通過電纜進行傳輸，但在部分礦井工作面難以實現，尤其是在惡劣的礦井環境中，無法滿足部分地域的有線傳輸。由于礦井通風機監測參數數量較大，監測節點分布廣泛，特別需要設計一種基于無線傳感器網絡的條件監測系統，無線傳感器網絡的應用可以消除傳統電纜之間傳輸的不便。該系統旨在監測礦井通風機的運行情況，并提前進行預警。它基本上分為兩部分，即硬件和軟件，硬件由1 個接收器節點、傳感器節點、工業個人計算機和幾個傳感器組成；軟件包括ZigBee 協議堆棧和組態軟件。節點的堆棧是TI 的Z-堆棧，主芯片是TI 的CC2430[1]。

1 無線傳感器網絡節點的設計

1.1 網絡框架設計

本次設計的礦井通風機智能監測和報警系統可收集或計算礦井通風機的振動、溫度、負壓、風量等數據信息。該系統由1 個工業個人計算機、1 個沉槽節點、多個傳感器節點、至少4 個溫度傳感器、2 個振動傳感器和1 個壓力傳感器組成。其中，傳感器節點通過ZigBee 無線傳感器網絡與接收器節點進行通信，接收器節點通過串口與電腦上的配置軟件進行連接。

圖1 為監控系統的示意圖。一個ZigBee 星形網絡由1 個接收節點和傳感器節點共同建立起來，接收器節點負責接收來自每個傳感器節點的數據，數據通過串口傳輸到電腦上的監控和報警系統。監控系統用于實時監測、報警等，其中包含1 臺工業個人電腦、2 個接收節點、3 個傳感器節點、4 個溫度傳感器、5 個壓力傳感器、6 個振動傳感器[2]。

圖1 智能監測系統的網絡組成示意圖

1.2 接收器節點的設計

接收器節點由電源模塊、串行模塊、CC2430 模塊和其他組件組成。CC2430 是一顆真正的系統芯片(SoC)CMOS 解決方案，它是專門為IEEE802.15.4 和ZigBee 應用程序定制的[3]。CC2430 結合了領先的CC2420 射頻收發器的卓越性能以及工業標準增強的8051MCU、32/64/128KB 閃存、8KBRAM 和許多其他強大的功能，并與業界領先的ZigBee 協議棧（Z-Stack）相結合。CC2430 工作電壓為3～3.3 V，因此，電壓轉換模塊應將電壓從5 V 降至3.3 V，采用5 V 交流/ 直流電源適配器。串行端口模塊由MAX3232E 和外圍電路組成。考慮到距離因素，還設計了MAX485 電路，使接收節點與PC 之間的距離擴展到1 200 m 以上，提高了系統的可操作性。

1.3 傳感器節點的設計

傳感器節點由傳感器節點主芯片CC2430 模塊（見圖2）、關鍵控制模塊、電源轉換模塊、外部傳感器接口模塊、溫度測量的橋接電路、I/V 轉換電路和天線接口組成。傳感器模塊負責收集數據[4]。

圖2 CC2430 芯片模塊

由于該系統需要實時監測，特別是振動和壓力傳感器需要24 V 直流電源，因此傳感器節點采用24 V 直流供電。24 V 直流電源的好處是不需要考慮低功率設計和電源管理。在功率轉換模塊中，選擇直流/直流電源模塊BSD5-24D15，其輸入電壓為18～36V，輸出電壓為±15 V，輸出電壓精度為±1%。因此，BSD5-24D15 能夠滿足各種類型芯片的功率需求。橋接電路負責將PT100 溫度傳感器的電阻輸出信號轉換為電壓信號，以測量溫度[5]。

由于CC2430 只能采集電壓信號，因此必須將振動電流輸出信號、壓力傳感器轉換為電壓信號。于是，設計了調節電路，將4～20 mA 的電流信號轉換為0～3 V 的電壓信號，用于CC2430 采樣。4～20 mA電流信號的調節電路如圖3 所示，該電路由運算放大器LM324 和其它部件組成[6]。在圖3 中，P1 是傳感器的電流輸出信號的接口；P3 和P4 是電位計；CC2430 的P0.2 用于采集信號。為獲取傳感器節點的多功能性，對每個節點進行了可收集2 個溫度信號和2 個4～20 mA 信號的設計。

圖3 4～20 mA 電流信號的調節電路

2 通信協議的應用

該系統的軟件開發環境為IAREW7.30，協議棧為TI 的ZStack。Z-堆棧的系統流程如圖4 所示。Z-堆棧的主要工作過程可分為系統啟動、禁用所有中斷、驅動程序初始化、OSAL 初始化和啟動、輪詢任務等多個階段。執行操作系統時，按優先級檢查每個任務的準備情況，如果某些任務已準備就緒，OSAL 將調用相應的事件處理程序來處理該事件，直到輪詢并執行所有準備就緒的任務為止。

圖4 Z-堆棧的系統流程示意圖

根據IEEE802.15.4 和ZigBee 標準，將Z-Stack分為以下幾層：API（應用程序編程接口）、HAL（硬件抽象層）、MAC（媒體Access 控件）、NWK（ZigBee 網絡層）、OSAL（操作系統抽象系統）、安全、服務、ZDO（ZigBee 設備對象）。其中，Z-Stack 通過TI 創建了HAL、MAC、NWK、OSAL、安全、服務和ZDO 層。用戶無需修改這些功能，只需要創建API 層的自定義任務和事件處理程序即可。

Z-Stack 按任務輪詢事件構成了“事件—任務—操作系統”的這樣一種調度機制，操作系統負責調度多項任務，每個任務都包含多個事件。添加新任務的三個修改步驟如下：向任務初始化功能添加新任務osalInitTasks（）；向新任務中添加多個事件；為每個新創建的用戶的任務添加兩個相關的處理程序，即初始化處理程序和事件處理程序：APP_Init（）、APP_ProcessEvent（）。

3 監控軟件開發

此外，還需要設計一個監控設備運行情況和實現異常行為報警的監控軟件。該軟件包括以下功能：實時顯示每個節點的數據；顯示傳感器節點的實時信號曲線和歷史趨勢曲線；參數設置，包括報警限制等；報警、報告生成和報告查詢；數據庫管理。

選用KingView6.53 作為礦井通風機狀態監測系統的開發平臺，由北京井控技術開發有限公司開發。通過該系統可監控礦井通風機的運行情況，也可實現異常行為報警。礦井通風機監控軟件的主界面如圖5 所示。礦井通風機運行狀態以動畫形式顯示，運行工況點可參照氣壓與壓力的關系曲線獲得，監測參數則參照監測表。這些模型真實地反映了礦井通風機的實時運行條件。

圖5 通風機監控主界面示意圖

4 KingView 與接收器節點之間的通信程序

由于KingView 沒有CC2430 的驅動程序，因此需要根據所選的芯片來開發該驅動程序。一般通過以下三種方法來實現通信：用戶可以通過KingView驅動程序開發包開發自己的通信驅動程序，本方法適合專業制造商；用戶可以通過DDE 手段進行通信，但該方法更復雜，不太實時；而KingView 提供了通用通信協議，具有相對簡單、通信良好且實時的特點。因此，本文采用了第三種方法。

首先需要設置通信端口的參數，然后根據通用通信協議的格式來定義KingView 中的設備地址和寄存器。本文采用C 語言的ASCII 代碼設計。

根據通用通信協議，當KingView 讀取數據時，如果讀取正常，CC2430 為格式1，否則CC2430 為格式2。同時將環境參數變化情況以有數據編譯的形式，通過曲線圖形展示給后臺的技術管理人員，以對環境參數進行監測，從而有效地對礦井通風機的實時運行情況進行了展示，如圖6 所示為環境參數數據曲線的監測示意圖。

圖6 環境參數數據曲線的監測示意圖

5 結語

礦井通風機智能監測系統設計具有以下特點：1）無線傳感器網絡在礦井通風機狀態監測系統中采用無線傳感器網絡，保證高效安全生產。

2）可收集或計算礦井通風機的振動、溫度、負壓、風量等信息，可通過這些參數準確監測通風機的運行狀況，還提供了通風機潛在故障的最原始的信息。

3）系統解決了當下難以實現、傳統電纜傳輸系統擴展較差等問題。

4）該系統節點的制造成本較低，具有明顯的經濟效益。