带式输送机无线保护传感器软件开发研究

李婷 王振翀 袁守浩

中国矿业大学（北京）机电学院 100083

带式输送机无线保护传感器软件开发研究

李婷 王振翀 袁守浩

中国矿业大学（北京）机电学院 100083

带式输送机是煤炭运输的主要设备，由于连续运行时间长，工作环境恶劣和检测手段落后等因素，其生产事故也越来越突出。这不仅影响煤炭企业的正常生产、损坏机器，甚至还会引发安全事故。论文对传感器软件开发的具体技术进行。

带式输送机；无线传感器网络；μC/OS-II；数据采集；无线通信

belt conveyer,；wireless sensor networks,；μC/ OS-II；data collection; wireless communication

1、概述

我国煤矿带式输送机保护系统的检测部件[1]在可靠性、灵敏性、寿命等方面还有待提高，并且这些检测保护器件往往是相互独立的。根据测带式输送机保护系统的实际需求和传感器节点的不同功能，移植了μC/OS-II嵌入式操作系统，并开发了测量节点的应用层软件，实现了运行参数的测量，无线传感器网络的组建和数据传送。

2、带式输送机无线传感器总体设计

在综合考虑带式输送机的工作特点和无线通信的有效范围等因素之后，我们设计了图1所示的用于带式输送机保护的链式无线传感器网络拓扑结构。

调心托辊一般按照间隔50米的距离进行布置，布置在托辊转轴处、用于检测托辊转动角度的传感器，组成图中长链式结构的主体。在带式输送机的机头驱动滚筒处，安装有检测驱动滚筒表面温度的传感器和检测滚筒转速的传感器。在输送机的从动滚筒（尾轮）处，也安装有检测滚筒转速的传感器。

为了防止节点失效而影响数据通信[2]，在长链式结构的沿线随机布置一定数量的路由节点，当长链中的角度传感器由于断电等原因停止工作后，在机头的其他传感器节点仍然可以经过路由器将监测数据发送到协调器。

图1 带式输送机保护传感器网络的链式拓扑结构

3、传感器软件开发研究

在操作系统负责过程调度的基础上，可以将传感器节点的软件结构设计为硬件抽象、网络接口和应用程序三个主要部分。

1).硬件抽象实现对传感器节点硬件的抽象，包括传感元件子模块、IPLink 无线射频收发子模块、输入输出设备子模块和电源控制子模块等，其作用是为上层应用屏蔽底层的硬件细节，从而方便系统平台的移植。

2).网络接口支持无线传感器网络协议，这一功能主要通过Helicomm公司的ZigBee 网络协议实现。

3).应用程序部分则涵盖了传感器节点的一些具体的应用功能。

3.1 μC/OSII嵌入式实时操作系统

在μC/OS-II 嵌入式操作系统的基础上，本文实现了传感器节点的软件框架：

通过文件的组织实现了分层的代码结构，其中，最上层是应用程序的代码，用来实现传感器节点系统的不同应用。中间层包括三部分：

图2 嵌入式操作系统的结构框架

图3 无线传感器节点的软件框架

1).μC/OS-II 的内核以及与μC/OS II 移植有关的代码；

2).传感器网络协议的代码，提供网络层和数据链路层的功能。

3).硬件设备驱动，提供硬件模块的访问，为协议和上层应用屏蔽了硬件实现的细节，包括了IP-Link 无线模块、ADC、存储器、Timer、传感元件等。

3.2 传感器数据采集程序

表1 IP-Link 模块的基本数据帧结构

图5 STC与IP-Link中单片机的数据传输程序

（1）A/D 转换程序

STC12LE5410AD 单片机[3]有8 组10－bit ADC 接受传感元件的模拟信号输入：ADC#0～ADC#7。

当成功返回测量数据时，首字节和末字节应该组合到一起，以获得ADC 采样的准确数据。

此采样数据将会使用下面的C代码被重建：

ADC_Value=(ADC_High_Byte＜＜8)|(ADC_Low_Byte);

设置使用3.3V 电压作为A/D 转换的参考电压，输入ADC 的输入端信号电压范围应在0～3.3V之间。

图4 A/D转换初始化流程图

（2）频率法转速测量程序

为了实现脉冲计数功能，将霍尔转速传感器的输出信号接到STC单片机的INT0口，并通过配置TCON，TMOD实现脉冲捕获功能。方波信号的频率可以通过计算两个下降沿之间的时间推算出来。然后再根据每转产生的脉冲数，计算出滚筒转速。转速测量程序设计主要由中断服务程序中实现。

（3）通信数据结构

单片机对传感元件测量到的信号进行A/D转换之后，首先必须进行按照上述的通信数据结构对采集的数据进行处理[4]，然后处理后的数据作为负载段，按IP Link122X 的基本帧结构进行打包，然后通过串行接口传送IPLink122X，实现检测数据的无线传送。

制定通信数据结构的优势在于，控制中心在收到无线传感器网络发送来的一组数据后，经过解析可以了解到传感器节点的类型、工作状态和测量的参数等。

3.3 微处理器与无线模块的通信

设计选择串行通信方式进行数据传输，采用单片机自身的TTL电平直接传输信息。当STC单片机开始发送数据时[5]，先送一个请求信号，IP Link122X 中的单片机收到请求信号后，回复一个信号，表示同意接受。当STC单片机接受到该应答信号后，开始发送数据，每发送一次便求校验和。比如发送一个18字节的数据块，数据缓冲区为buf，数据块发送完毕后马上发送校验和。

IP Link122X 中的单片机接受数据并将其转存到数据缓冲区buf，每接受一次便计算一次校验和，当收齐一个数据块后，再接受STC单片机发来的校验和，并将它与自己求出的校验和进行比较。若两者相等，说明接受正确，若两者不相等，说明数据传输发生错误，请求重新发送。

STC单片机接受到正确的回复后，结束发送，如果接受到重新发送的请求，则将数据再发一次。双方有约定的波特率。

3.4 传感器节点的应用层

本文的工作是设计带式输送机无线保护传感器，因此主要对传感器节点的应用层进行开发。传感器节点通电工作以后，主要执行步骤如下：

首先进行硬件初始化（包括MCU的时钟起振、各层的硬件支持的初始化、无线模块的初始化等）；

其次寻找网络并申请加入，在成功加入传感器网络之后，进行地址绑定，这样可以让传感器节点的地址信息出现在协调器的绑定表中，实现传感器节点与协调器的关联；

最后进入事件轮询循环，传感器节点定时查询有无事件发生。事件轮询分硬件、网络层、媒体接入层、应用层等，均要查询各自的事件。

4、总结

本论文主要进行了基于ZigBee 技术的带式输送机无线保护传感器的软件开发，主要由数据采集模块、STC12LE5410AD 和IP Link 无线通信模块组成。在ZigBee 协议栈基础上实现了链式的网络组建。本章对传感器节点软件程序的体系结构、程序设计思想和具体实现方法作了深入探讨和总结。不同的传感器节点模块的固件程序不一样，但其体系结构却是相同的。

[1]孙继平.矿井安全监控系统.北京：煤炭工业出版社.2006：1-6

[2]陈维健，齐秀丽，肖林京等.徐州：中国矿业大学出版社.2007：45-46

[3]赵玉文，李云海.带式输送机的现状与发展趋势.煤矿机械.2004（4）

[4]祝龙记，王汝琳.矿井胶带输送机分布式智能控制系统.工矿自动化.2003（8）

[5]李正军.现场总线及其应用技术.北京：机械工业出版社，2005

Research on the software development of belt conveyer’s wireless protection sensors

Li Ting Wang Zhenchong Yuan Shouhao
China University of Mining and Technology Beijing 100083

Belt conveyer is a key component of mining transportation system, the disaster caused by belt conveyer happened frequently for its long-time operation, bad working condition and obsolete protection device. The breakdown of belt conveyer will affect the transportation as well as damage the machine and even might cause death to mining workers. This thesis aims to research on the detailed software development technologies of belt conveyer sensor nodes.

TP393

李婷（1985- ） 女 陕西 硕士 电气工程。